通常來說，選用哪類器件取決于成本、效率的要求并兼顧開關頻率。如果要求硬開關在100kHz以上，一般只有MOSFET能夠勝任。用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器(含輸入直流斬波級)的功率半導體器件主要有MOSFET、IGBT、超結MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產(chǎn)品，在實際設計中被廣為應用。在較低頻段如15kHz，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于設計中對轉換效率和成本的具體要求。系統(tǒng)效率和成本之間作為一對矛盾，設計中將根據(jù)其相應關系對照目標系統(tǒng)要求確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號。表1為三種半導體開關器件的功率損耗，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理，超結MOSFET工藝目前沒有超過900V的器件。
除去以上最典型的三類全控開關器件，業(yè)界有像碳化硅二極管和ESBT等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能光伏發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。
以下為兩種可運用的于特殊光伏發(fā)電場合的逆變器：
(1)單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊
混合單相全橋功率模塊，是專用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中單相逆變的產(chǎn)品，配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據(jù)這種工作特點，上管選用相對便宜的門極溝道型(Trench)IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型(NPT)IGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統(tǒng)轉換效率還降低了整個逆變設備的成本。圖3給出了不同器件搭配的轉換效率曲線以印證這種功率模塊的優(yōu)越性?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負載下能實現(xiàn)98%以上的轉換效率。
在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件機制，充分利用兩端器件開關頻率遠高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60系列三電平模塊兩端使用超結MOSFET，中間為IGBT的結構，可進一步提高效率。
(2)ESBT
ESBT是應用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一種新型高電壓快速開關器件，它兼顧了IGBT和MOSFET的優(yōu)點，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場的ESBT太陽能升壓斬波器模塊，集成了碳化硅二極管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升壓應用。其電壓為1200V，集電極和發(fā)射極間飽和通態(tài)電壓很低(接近1V)，優(yōu)化開關頻率在30kHz～40kHz之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應的IGBT模塊減少40%的損耗。根據(jù)6kW的參考設計實驗結果，此模塊在50%至滿負載之間，轉換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍之前，對于超高效率的太陽能光伏功率變換應用，ESBT將是優(yōu)選開關器件。
下載文檔
