在光伏逆變器中運用SiC BJT實現更低的係統（tǒng）成本【圖表】

    最近（jìn），碳化矽 (SiC) 的使（shǐ）用為 BJT 賦（fù）予了新的生命，生產出（chū）一款可實現更高功率密度、更低係統成本且設計更簡（jiǎn）易的器件。SiC BJT 運用在光伏電源轉換器中時（shí），可實現良好效率，並且(也許更重（chóng）要的是)能夠使用更小、更便宜的元件，從而在係統級別上顯著降低成本。

    在過去 30 多年中，諸如 MOSFET 和 IGBT 之類的 CMOS 替代產品在大多數電源（yuán）設計（jì）中逐漸取代基於矽的 BJT，但是今天，基於（yú）碳化矽的新技術為 BJT 賦予了新的意義，特（tè）別是在高壓應用中。

    碳化矽布局以同等或更（gèng）低的（de）損耗實現更高的開關頻率，並且在相同形（xíng）狀因數的情況下可產生（shēng）更高的輸出（chū）功率。 運用了 SiC BJT 的設計也將使用（yòng）一個更小的電感，並且使成本顯著降低。 雖然運用碳化矽工藝生（shēng）產的 BJT 相較於僅（jǐn）基於矽的（de） BJT 會更昂貴，但（dàn）是使用 SiC 技術的優勢在於可在其它方麵節省（shěng）設計（jì）成本，從而（ér）實現更低的整體成本。本文介紹（shào）的升壓轉換（huàn）器設計用（yòng）於光伏轉換階段，其充（chōng）分利用（yòng） SiC BJT 的優勢，在顯著降低係統成本的同時可實現良（liáng）好的效率。

    碳化矽的優（yōu）勢

    基於矽（guī）的 BJT 在高壓（yā）應用中失寵有幾方麵原因。 首（shǒu）先，Si BJT 中的低電流增益會形成高驅動損耗，並且隨著（zhe）額定電流的增加，損（sǔn）耗變得（dé）更糟。 雙極運行也會導致更高的開關損耗，並且在器件內產生高動態電阻。 可靠性也是一個問題。 在正向偏（piān）壓模式下（xià）運行器件，可能（néng）會在器件（jiàn）中形成具有高電流集中的局部過溫，這可能（néng）導致（zhì）器件發生故障。 此外，電感負載（zǎi）切（qiē）換過（guò）程中出現的電壓和電流應（yīng）力（lì），可能會導致電場應力超出漂移區，從（cóng）而導致反向（xiàng）偏壓擊穿（chuān）。這會嚴格限製反向安全工作區 (RSOA)，意味（wèi）著基於矽的 BJT 將不具有短路能力（lì）。

    在運用碳化矽的新型 BJT 中不存在（zài）同樣的問題。與矽相比，碳化矽支持的能帶間隙是其三倍，可產生更大的電流增益，以（yǐ）及更低的驅動損耗，因此 BJT 的效率更高（gāo）。 碳化矽的擊穿電（diàn）場強度是矽的 10 倍，因此器件不太容易受到熱擊（jī）穿（chuān）影響，並且要（yào）可靠（kào）得多。碳化矽（guī）在更高的溫度下表現更出色，因此應用範圍更為廣泛，甚至包括汽車環境。

    從成本角度（dù）而言（yán），碳化矽的高開關頻率在（zài）硬件級（jí）可實現成本節約。 雖然相較（jiào）於基於純矽，基於碳化（huà）矽的 BJT 更昂（áng）貴（guì），但 SiC 工藝的高功率密度將（jiāng）會轉換為更高的芯（xīn）片利（lì）用率，並且支持（chí）使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。從長遠來看，使用更（gèng）昂貴的（de）碳化（huà）矽 BJT 實際上更省錢，因（yīn）為整體係統的（de）生產成本（běn）更低。茄子视频懂你更多設計的升壓（yā）轉換器就（jiù）是一個例子。 它設計用於額定功率為 17 千瓦的光伏係統中，具有 600 伏的輸出電壓，輸入（rù）範圍為 400 到 530 V。

    管理效率

    BJT 的驅動器電路能夠減少損耗和（hé）提高係統效率。驅動器做了兩件事： 對器件電容迅速充放電，實現快速開關；確（què）保連續提供基極電流，使晶（jīng）體管在導通（tōng）狀態中保持飽和狀態。

    為了（le）支持動態操作，15V 的（de）驅動器電源電壓引起（qǐ）更快的（de）瞬態變化，並提高性能。SiC BJT 的閾（yù）值電壓約為 3V。通常情況下無需（xū）使用負極驅（qū）動電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。

    SiC BJT 是一個“常關型”器件，並（bìng）且僅在（zài）持續提供基極電（diàn）流時激活。選擇靜態操作的基極電流值會（huì）涉（shè）及（jí）到傳導損耗和驅動損耗間的折衷平（píng）衡。 盡（jìn）管（guǎn）有較（jiào）高的增益（yì）值（zhí）(因此會形成（chéng）較低的基極電流)，驅動損耗對 SiC BJT 仍（réng）非常重（chóng）要，由於 SiC 布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發射極間提供一個更高的正向電壓。 將基極電流增加一（yī）倍，從 0.5A 增加到 1A，僅降低正向等效電阻 10%，因此需要降低傳導損耗，同時使飽和度轉變（biàn）為較高水平。 這是（shì）茄子视频懂你更多設計升壓轉（zhuǎn）換（huàn）器的一個重要（yào）考慮因素，因為它會在更高（gāo）的電流紋波下運行（háng）。1A 的基極電流會使（shǐ）開（kāi）關（guān）能（néng）力增加至 40A。

    靜態驅（qū）動損耗是選定驅動電壓（yā）和輸入電壓的一個函數(間接表示占空比值)。實現高開關速度需要 15V 的驅動電壓，產生約 8W 的損耗，主要集中在基極電阻上。為了彌補這方麵的損耗，對於動態和靜態操作，茄子视频懂你更多通常使用（yòng）兩個單獨的電（diàn）源電壓。圖 1 提供了（le）示意圖。高（gāo）壓驅動器的控製（zhì）信號會（huì）“中斷”，因此它僅在開關瞬態期間使（shǐ）能。靜（jìng）態驅動階段使用較低電（diàn）壓（yā），從而可（kě）以降低靜態損耗，並在整個導通期間保持激活狀態。

    圖 1.使用兩個電源電壓降低損耗

    減小（xiǎo）濾波器的尺寸（cùn）

    在更高的開關頻率下運行，可降（jiàng）低（dī）無源元件的成本。為了進（jìn）一步（bù）提高功率（lǜ）密度，茄子视频懂你更多著眼於改善（shàn）濾波器（qì）電感的方法。在評估了各種核心材料的能力後，茄子视频懂你更多選（xuǎn）擇了一種使用 Vitroperm 500 F(一種薄夾層式納米晶體材料)製成的新（xīn）型磁（cí）芯材料。該（gāi）材料產生（shēng）的損耗低，且在（zài）高頻率下運轉良好。此外也可在（zài）高飽和磁通值下運行，這意（yì）味著該材（cái）料比類似的鐵氧（yǎng）體磁芯(圖 2 右側)要小得（dé）多。使用（yòng） Virtoperm 磁芯構成的濾波電（diàn）感器，約為參照係統的四分之一大小（xiǎo）。

    圖 2 顯示了在最大電（diàn）流紋波（bō）(40%)下（xià）對於不同材料將電感器尺寸作為開關（guān）頻率函數（shù）的因素。在此，茄子视频懂你更多假設（shè）電感量近似為電感值，而這又取決於（yú）峰值磁通密度和開關頻率。在達到指定的臨界點(在 100mW/cm 時定義的特定（dìng）損耗3)後，需要降（jiàng）低峰值磁通量以避免過熱，從而在該點之外運行（háng）將不會導致其大小顯著減小。頻率一定時，Vitroperm500F 可在所有（yǒu）材料中實現（xiàn）最佳性能（néng）。

    圖 2. 用作頻率函數的不同芯材的（de）電感器大小，以及與 Vitroperm 和鐵氧體磁芯的大小比較

    圖 3 顯示（shì）了測得的效（xiào）率級，包括采（cǎi）用兩階段解決方案的驅動損耗。根據計算得出（chū）的損耗分布如下圖曲線所示。該係統可以在沒（méi）有達到（dào）臨界溫度或飽和（hé）度的情況下達到（dào）高電流負載。 該兩階（jiē）段驅動解決方案（àn）會將驅動損耗降低（dī）至（zhì）輸入功率的 0.02% 左右。整體損耗更（gèng）低使得所需的散熱（rè）片尺寸減小，且更高的開關頻率允許使用更小的過濾器元件。所有這些（xiē）特性最終有助（zhù）於降（jiàng）低係統成本（běn）。

    圖3：48kHz時的效率和驅動損耗（hào），以及原型圖

    結論

    碳（tàn）化矽賦予 BJT 新的生命（mìng）。與基於矽的前代產品不同，碳化矽 BJT 可實現（xiàn）低傳導損耗（hào）、高擊穿（chuān）場強（qiáng）度，並且可（kě）在更廣泛的溫度範圍內穩定運（yùn）行。在驅動器電路中使用兩個電源電壓，可降低驅動損耗，實現良好效率。更高的開關頻率（lǜ）允許使用更小的電感（gǎn）器，從而在係統級實現（xiàn）顯著的成本（běn）節約。高壓應用(如光（guāng）伏逆變器)將（jiāng）受益於高功率密度、更低係統成本和簡易（yì）的設計，因（yīn）此 SiC BJT 成為極具吸引力的替代產品。