相比较早的1000V系统，1500V大型太阳能组串式逆变器因其更高的成本效益和效率优势正被广泛应用。持续优化这两项指标的关键在于功率转换拓扑结构及所用有源/无源器件的进步。本文将概述在此类系统中使用碳化硅功率转换模块的优势。

大型太阳能转换器

集中式与组串式逆变器

集中式逆变器对多组相连的太阳能电池板进行功率转换，额定功率通常为每单元1-5兆瓦。

组串式逆变器通常位于每个组串的末端。因其模块化和分布式特点，不易出现单点故障，且比集中式逆变器更易于维护。配备多个最大功率点跟踪器还能提高发电量，从而轻松抵消较高的初始成本。组串式逆变器的输出功率不断提升，单机功率已可超过350千瓦。

1500V转换器可以是单级结构，包含将组串及相关储能系统输出的直流电转换为可接入电网交流电的DC/AC逆变器。

混合双向逆变器

混合双向逆变器能够接收多种直流电源(如太阳能电池板或电池)，并将其转换为交流电。两级式转换器包括一个连接光伏组件输出的DC/DC升压级，产生的直流母线电压再经DC/AC转换。当系统集成储能系统时，需要双向功率流。

三电平转换器

相比两电平系统，三电平转换器具有诸多优势，尤其是在母线电压超过1000V的应用中。开关器件的额定工作电压为：

V额定值 = V母线 ÷ (电平数 − 1)

因此，例如，在1500V母线应用中，三电平转换器可使用额定电压1200V的器件并留有良好裕量，而在两电平系统中，则可能需要至少2000V额定电压的器件。

三电平转换器中器件承受的电压更低，意味着开关损耗更低。通过产生更接近正弦波的输出波形，三电平逆变器降低了总谐波失真，从而改善了功率因数并减少了电磁干扰。

在三电平转换器中，可以改变开关频率以权衡总谐波失真、开关损耗和更简化的滤波需求。多电平转换器支持的更高开关频率，得益于显著缩小的磁性元件尺寸，可在系统层面带来功率密度优势。三电平转换器的一些缺点是需要更多的有源器件和更复杂的控制系统。

Vincotech是三菱电机公司的关联公司，总部位于慕尼黑附近。该公司在标准及定制功率模块市场处于领先地位，产品广泛应用于电机驱动器、焊接设备、太阳能逆变器和电源等领域。接下来，我们看看Vincotech针对1500V大型太阳能逆变器拓扑中使用碳化硅功率器件所做的一些案例研究比较。

DC/DC升压级

在Vin = 800 V、Vout = 1300 V、Iout = 46.5 A的条件下，对以下方案进行了性能与成本比较：

两电平碳化硅升压器：使用1个2300V碳化硅mosfet和1个2000V或2200V碳化硅二极管、1个栅极驱动器、1个额定电感值为L且承受全部Vout的电感。

三电平对称升压器：使用2个1200V IGBT、2个1200V碳化硅二极管、2个栅极驱动器、2个电感值为L÷2且承受Vout÷2的电感。

全碳化硅三电平对称升压器：使用2个1200V碳化硅MOSFET、2个1200V碳化硅二极管、2个栅极驱动器、2个电感值为L÷2且承受Vout÷2的电感。

三电平飞跨电容升压器：使用2个1200V IGBT、2个1200V碳化硅二极管、2个栅极驱动器、1个电感值为L÷4且承受Vout÷2的电感。

全碳化硅三电平飞跨电容升压器：使用2个1200V碳化硅MOSFET、2个1200V碳化硅二极管、2个栅极驱动器、1个电感值为L÷4且承受Vout÷2的电感。

如图1所示，全碳化硅飞跨电容方案效率最高。在飞跨电容转换器中用碳化硅MOSFET取代IGBT，效率提升约0.2%。

图1

由于倍频效应导致电感纹波更小，或在相同纹波下所需电感值更小，飞跨电容拓扑相比对称升压拓扑具有优势。

在高频下，与IGBT/碳化硅二极管方案相比，全碳化硅三电平对称升压方案的效率优势更为显著。模块成本基准显示，三电平IGBT/碳化硅二极管方案成本最低，不到两电平碳化硅升压方案的一半。

两电平碳化硅方案的高成本可归因于2x00V碳化硅器件的成本显著更高。在两电平和三电平对称升压拓扑中，飞跨电容拓扑具有最佳的性价比。

逆变级

NPC拓扑

中性点箝位I型逆变器常用于太阳能应用。这种三电平模块通常包含4个IGBT和6个二极管：内部IGBT以较低的线路频率开关，而开关速度更快的外部IGBT用于生成正弦波。

使用碳化硅续流二极管，通过其软恢复特性提升效率，减少反向恢复损耗，进而降低外部IGBT的导通能量损耗。

碳化硅二极管在瞬态过程中振荡的减少也改善了电磁干扰性能。如图2所示，在更高开关频率下，使用碳化硅二极管带来的净效率提升更加明显。

图2

从整个系统角度看，这允许在相同开关频率下以更低的最大结温运行(从而延长寿命)，在更高开关频率下减小滤波器尺寸，或在相同结温和开关频率下实现更高功率输出。这些改进可以轻松抵消因使用碳化硅二极管而增加的大约20%的初始费用。

ANPC拓扑

ANPC逆变器使用有源器件代替二极管进行中性点箝位和续流。这类逆变器正成为太阳能和储能应用的主流解决方案，因为它们在调制方案上更具灵活性，可在不影响效率的情况下改善双向运行性能。

图3比较了混合IGBT/碳化硅二极管ANPC逆变器与全碳化硅方案。在高开关频率下，全碳化硅方案带来约1%的效率提升，足以抵消大约30%的额外初始成本。

图3

功率模块的封装进步

封装挑战

虽然使用碳化硅器件具有简化冷却、延长寿命、提高效率和减小滤波器尺寸等优势，但也需要仔细考虑和应对模块相关的封装挑战。

这些挑战包括：确保在更高功率密度运行时有低过冲(源自更快的开关转换)和更低的热阻。并联器件需要对称的换流回路和均流的电流分配。器件间均匀的热阻可确保结温对称上升并防止热失控。

E3BP外壳

Vincotech最近推出了其新型带基板流道的E3BP外壳。这种E3BP流道外壳使得设计超过400千瓦的大型组串式光伏逆变器时，每相仅需一个外壳成为可能，从而降低成本达30%。相比早期的flow E3外壳，散热器面积减少了34%，功率密度可提升高达51%。

Vincotech高级技术市场经理David Chilachava在接受《电力电子新闻》独家采访时表示："近年来，1500V大型逆变器中碳化硅的应用已显著增加。最初，碳化硅二极管与IGBT结合使用是高频组件的更先进选择。然而，由于快速增长的市场对高效率目标的要求，以及碳化硅成本的积极发展，碳化硅MOSFET在此类应用中的采用已显著加速。"

Chilachava预测，用于大型逆变器的光伏组串电压将超过1500VDC，下一步将向2千伏发展以降低成本："要实现这一点，具有合适电压等级的硅和碳化硅芯片解决方案至关重要。这将使设计扩展更容易，并能充分利用三电平拓扑在大型逆变器中提供的明显优势。"