由于在可靠性、成本和系統(tǒng)級價值方面的顯著提升，具有1700 V阻斷電壓的碳化硅(SiC)在工業(yè)電力轉(zhuǎn)換中變得越來越普遍。通過將最新一代SiC芯片的阻斷電壓擴(kuò)展至2000 V，新的可能性隨之而來。以前需要中壓器件或多級拓?fù)涞闹绷麈溄与妷含F(xiàn)在可以更輕松地處理。

最新的碳化硅電壓等級正在促進(jìn)1500 V級逆變器的電路拓?fù)滢D(zhuǎn)變。憑借經(jīng)過驗證的芯片技術(shù)、低開關(guān)損耗和標(biāo)準(zhǔn)封裝，2 kV SiC功率模塊有望為可再生應(yīng)用帶來新活力。

1500 V變換器的設(shè)備

為了減少直流電流及其相關(guān)導(dǎo)體尺寸，許多應(yīng)用已經(jīng)提高了直流鏈接電壓。在公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電場中，一項研究表明，電壓提升500 V可以有效減少0.4%的直流損耗。這在電場的使用壽命中帶來了顯著的成本節(jié)省。與之密切相關(guān)的能源存儲系統(tǒng)(ESS)受益于支持高電壓的新型電池技術(shù)。在歐洲和北美，按照EU/IEC/UL標(biāo)準(zhǔn)和指令，該電壓提升的上限為1500 V。

構(gòu)建一個能夠支持此直流鏈接電壓的可靠2級變換器，需要阻斷電壓高于常規(guī)可用的1700 V的器件。中壓級的硅IGBT(例如，VCES = 3300 V)已經(jīng)問世多年。然而，現(xiàn)代可再生應(yīng)用對效率的要求極高。這種中壓硅器件由于需要維持這樣的阻斷電壓而導(dǎo)致相對較高的開關(guān)損耗。這使得使用阻斷電壓在950 V到1200 V之間的硅IGBT的三電平變換器變得普遍。

相反，碳化硅的高擊穿電場強(qiáng)度使得MOSFET可以制造得比同等額定的硅IGBT更薄。這導(dǎo)致了SiC器件的開關(guān)損耗顯著低于其硅對手。SiC MOSFET的開關(guān)過渡速度極快，從1200 V提升到2000 V，僅導(dǎo)致開關(guān)損耗的輕微增加。這一點非常重要，因為由三電平變換器產(chǎn)生的輸出電流中的有效波紋頻率可以達(dá)到半導(dǎo)體開關(guān)頻率的兩倍。因此，使用2 kV SiC的2級解決方案必須以雙倍的頻率切換，而不是在三電平解決方案中使用的1200 V Si器件(如圖1所示)。

2 kV SiC的優(yōu)勢

以1 MW變換器為例，很容易看到使用2 kV SiC功率模塊所可能實現(xiàn)的占地面積減少。例如，可以用九個1400 A/1200 V IGBT半橋模塊(例如，SEMITRANS 20)構(gòu)建一個1 MW、1500 VDC、690 VAC、三相ANPC逆變器。采用液冷和2.5 kHz的開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)總散熱器占地面積為2000 cm2(如圖2所示)。

同樣的電源轉(zhuǎn)換器僅需三個以5 kHz開關(guān)的2 kV SiC半橋模塊即可實現(xiàn)。此開關(guān)頻率在輸出端產(chǎn)生與三電平解決方案相同的波紋電流頻率。從九個模塊減少到三個模塊，導(dǎo)致占地面積顯著減少66%。這種體積減少顯然意味著運輸重量更輕，材料使用量減少。然而，這種尺寸的減小也伴隨著效率的提高——半導(dǎo)體損耗減少了40%。對于這個例子來說，這意味著半導(dǎo)體效率比三電平解決方案高出0.4%——在充電和放電模式下均超過99%。

雖然三電平變換器在現(xiàn)場通常被證明是可靠的，但轉(zhuǎn)向二電平在基于系統(tǒng)中電氣元件數(shù)量的計算故障率(FIT)方面有了改善。這一點在考慮從18(3電平)減少到6(2電平)的門驅(qū)動通道時尤為明顯。此外，由于不再需要實施母線電壓平衡算法，控制也簡化了。

新應(yīng)用

除了在獨立ESS中替換現(xiàn)有的1500 V拓?fù)渫猓? kV功率模塊還為高功率電動汽車(EV)充電器開辟了機(jī)會。卡車和越野車已經(jīng)率先邁入超過1000 V的電池電壓。為了減少充電時間，所需的功率往往超過電網(wǎng)的供應(yīng)。在這些情況下，集成一個1500 V的ESS是合理的。ESS提供了一個可以快速轉(zhuǎn)移到車輛電池的能量儲備，采用DC/DC轉(zhuǎn)換器。

由于變壓器所需的高頻，DC/DC拓?fù)湓谛枰綦x的情況下可能會遇到挑戰(zhàn)。結(jié)合高電壓，這意味著當(dāng)前解決方案在主側(cè)轉(zhuǎn)換器上使用三電平SiC拓?fù)洹? kV SiC功率模塊將這種輸入簡化為2級H橋(如圖3所示)。為了適應(yīng)靈活的EV充電器應(yīng)用(高電壓或高電流)，輸出仍保持為廣泛使用的雙H橋配置。