每mei組zu都dou和he自zi己ji的de功gong率lv調tiao節jie器qi相xiang連lian，然ran後hou連lian接jie至zhi共gong用yong直zhi流liu母mu線xian。功gong率lv調tiao節jie器qi能neng夠gou使shi太tai陽yang能neng電dian池chi以yi最zui大da效xiao率lv工gong作zuo。太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi可ke產chan生sheng饋kui入ru市shi電dian的de交jiao流liu電dian壓ya。請qing注zhu意yi，圖tu1所示的電源網是一種可用於任何逆變器拓撲的虛設電路，外加一個市電變壓器和一個輸出濾波器
，變壓器可阻止直流分量進入市電。

但(dan)是(shi)
，也(ye)有(you)一(yi)些(xie)係(xi)統(tong)是(shi)不(bu)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)，這(zhe)取(qu)決(jue)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)銷(xiao)售(shou)所(suo)在(zai)國(guo)家(jia)的(de)法(fa)律(lv)背(bei)景(jing)。允(yun)許(xu)不(bu)采(cai)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)國(guo)家(jia)的(de)目(mu)的(de)是(shi)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)
，因(yin)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)導(dao)致(zhi)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)1~2個百分點。另一方麵，逆變器必需避免直流分量, 要求電流小於5mA。雖然這很難做到，但是為了獲得更高的效率
，我們還是成功地實現了。表1給出了每一級對係統損耗
、係統尺寸和係統成本的貢獻值。

 

很(hen)容(rong)易(yi)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，變(bian)壓(ya)器(qi)是(shi)係(xi)統(tong)損(sun)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)的(de)主(zhu)要(yao)貢(gong)獻(xian)者(zhe)。然(ran)而(er)
，變(bian)壓(ya)器(qi)在(zai)許(xu)多(duo)國(guo)家(jia)是(shi)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)的(de)，因(yin)此(ci)，它(ta)不(bu)在(zai)減(jian)小(xiao)損(sun)耗(hao)的(de)考(kao)慮(lv)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)器(qi)可(ke)減(jian)弱(ruo)由(you)輸(shu)出(chu)逆(ni)變(bian)器(qi)級(ji)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)，該(gai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)大(da)小(xiao)和(he)成(cheng)本(ben)與(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)開關頻率成反比。開關頻率越高，濾波器的尺寸越小

、價格越便宜。但是，這種關係與硬轉換狀態下開關頻率和開關損耗之間的關係形成了折衷——開關頻率越高，損耗越大，因此效率就越低。從16kHz~20kHz的開關頻率，由於具備較低音頻噪聲和較高效率，可以滿足太陽能逆變器的要求。因此，功率電路還有待於進一步研究。

下文將比較適用於這兩級的幾種半導體技術的優勢。[page]
1.用於DC/AC升壓變換器的功率半導體
DC/DC變換器是在100kHzhuoyishangdekaiguanpinlvxiazhuangtaixiayunxingde。bianhuanqiyilianxumoshiyunxing，zheyiweizhe，shengyadianganqineidedianliuzaiedingtiaojianxiahuichanshenglianxuboxing。dangjingtiguanguanbishi
，erjiguanzuoweixuliuerjiguanshiyongshi，jingtiguankeweidianganqichongdian。zhejiushishuo
，dangjingtiguanzaicidakaishi，erjiguankeyizhudongguanbi。xiatugeichulechangyongguierjiguandedianxingfanxianghuifutexing(圖2中的黑色和紅色曲線)。

 

矽二極管的反向恢複特性
，在升壓晶體管和相應的二極管中都會產生較高的損耗。而碳化矽二極管就沒有這一問題(如圖2中藍色曲線所示)。隻zhi是shi由you於yu電dian容rong性xing產chan生sheng一yi個ge二er極ji管guan瞬shun間jian負fu電dian流liu，這zhe是shi由you二er極ji管guan的de結jie電dian容rong電dian荷he引yin起qi的de。碳tan化hua矽gui二er極ji管guan可ke大da大da減jian少shao晶jing體ti管guan的de開kai通tong損sun耗hao和he二er極ji管guan的de關guan斷duan損sun耗hao
，還hai可ke減jian少shao電dian磁ci幹gan擾rao，因yin為wei波bo形xing非fei常chang平ping滑hua，沒mei有you振zhen蕩dang。

以yi往wang曾zeng經jing報bao道dao過guo很hen多duo避bi免mian由you二er極ji管guan的de反fan向xiang恢hui複fu特te性xing造zao成cheng損sun耗hao的de工gong藝yi

，例li如ru零ling電dian壓ya開kai關guan的de零ling電dian流liu開kai關guan等deng。所suo有you這zhe些xie都dou會hui大da大da增zeng加jia元yuan件jian數shu量liang和he係xi統tong的de複fu雜za程cheng度du，結jie果guo經jing常chang使shi穩wen定ding性xing下xia降jiang。特te別bie值zhi得de提ti出chu的de是shi
，即ji使shi是shi在zai硬ying開kai關guan狀zhuang態tai下xia通tong過guo使shi用yong碳tan化hua矽gui肖xiao特te基ji二er極ji管guan
，也ye可ke以yi用yong最zui少shao的de元yuan件jian實shi現xian軟ruan開kai關guan相xiang同tong的de效xiao率lv。

高開關頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級結晶體管(如 CoolMOS)的引進
，為進一步降低MOSFET 的單位麵積導通電阻RDS(on) 帶來了希望，如圖3所示。

 

很容易可以看出
，與標準工藝相比，單位麵積RDS(on)大概比CoolMOS低4倍~5倍。這意味著，在標準封裝中，CoolMOS可實現最低絕對導通電阻值。這將帶來最低導通損耗和最高效率。CoolMOS 工藝的單位麵積RDS(on)表現出更好的線性度。當電壓為600V時
，CoolMOS的優勢顯而易見，如果電壓更高，其優勢就會加大。目前

，最高的電壓級為800V。

經多次研究表明：使用碳化矽二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優於采用標準的MOSFET和二極管工藝(如圖4所示)解決方案。
 

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2.用於逆變器的功率半導體
輸出逆變器連接直流母線和電網。通常
，開關頻率沒有DC/DC變換器的高。輸出變換器必須處理由所有組變換器產生的電流總和。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是在這一逆變器使用的理想器件。圖5給出了IGBT工藝的兩個橫截麵。

 

兩種工藝都采用了晶圓減薄工藝，旨在降低導通損耗以及由襯底厚度太大造成的開關損耗。標準工藝和 TrenchStop工藝是非外延 IGBT工藝，沒有采用晶體管生長工藝,因為此類工藝流程的成本很高
，因為阻斷電壓是根據增長晶體的厚度來決定的。

在斷開狀態下，標準NPT 單元在半導體內部形成了一個三角形的電場。所有阻斷電壓都被襯底的n區域吸收(取決於其厚度)

，以使電場在進入集電極區域之前降到0.600V。芯片的厚度是120mm，1200V芯片的厚度是170mm。 飽和電壓為正溫度係數，從而簡化了並聯使用。

TrenchStop 工藝是先進的溝槽柵(trench gate)和場終止層(fieldstop)概念的結合
，可以進一步降低導通損耗。 Trench gate工藝提供更高的溝道寬度，從而減小了溝道電阻。ndoped 場終止層隻執行一項任務：以極低的斷態電壓值抑製電場。這為設計出電場在n襯chen底di層ceng中zhong幾ji乎hu是shi水shui平ping分fen布bu的de創chuang造zao了le條tiao件jian。這zhe說shuo明ming，材cai料liao的de電dian阻zu非fei常chang低di，因yin而er在zai導dao通tong過guo程cheng中zhong，電dian壓ya降jiang很hen低di。電dian場chang終zhong止zhi層ceng的de優you勢shi，可ke通tong過guo進jin一yi步bu降jiang低di芯xin片pian的de厚hou度du得de以yi發fa揮hui
，從cong而er實shi現xian上shang述shu所suo有you優you越yue性xing。采cai用yongTrenchStop工藝也可實現並聯。

表2給出了阻斷電壓為600V和1200V的IGBT的比較。對於這三種工藝來說，所使用的晶體管的額定功率都保持恒定。這就是說，電壓為600V時器件的電流
，是電壓為1200V時器件的兩倍。也就是說，一個50A/600V的器件相當於兩個25A/1200V的器件。

 

從上表可以看出，與1200V的器件相比較，600V TrenchStop工藝可以將開關和導通損耗降低50%。因此
， 對於整個係統來說，盡可能地使用600V工藝的優異性能是很重要的。1200V TrenchStop工藝專為實現低導通損耗而進一步優化。因此，Fast工藝或 TrenchStop產品家族哪個更具有優異性能, 取決於開關頻率。

IGBT通常還需要一個續流二極管

，以使其能夠續流

，這是EmCon工藝的一個特殊優化版本。它是根據600V係列器件的15kHz開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)的(de)。過(guo)去(qu)認(ren)為(wei)，續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)必(bi)須(xu)具(ju)備(bei)非(fei)常(chang)低(di)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)壓(ya)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)低(di)總(zong)損(sun)耗(hao)。根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)可(ke)進(jin)行(xing)其(qi)它(ta)優(you)化(hua)，以(yi)使(shi)二(er)極(ji)管(guan)和(he)IGBT中的總損耗更低。這說明
，在頻率約為16kHz的IGBT和二極管的應用中，為實現低開關損耗，更高的正向電壓降更為合適。

這一點在圖6(600V係列)中得以說明。左柱表示TrenchStop IGBT和EmCon3工藝中EmCon 二極管的損耗。右柱表示TrenchStop IGBT和為實現低傳導損耗而進行優化後的二極管(稱為Emcon2工藝)的損耗。右柱中的同一二極管與采用英飛淩的Fast工藝(600V)的IGBT結合使用。條形圖中黃色和橙色的部分分別代表IGBT的導通損耗和開關損耗。深藍色和淺藍色部分分別是二極管的導通損耗和開關損耗。
 

 

很容易看出，在開關頻率為16kHz，負荷角的餘弦值為 0.7和額定電流的情況下
，Emcon3二極管在導通過程中會產生更高損耗(深藍色)
，但能得到更好的開關性能。因此，就這一點而言，二極管本身已經是很好的選擇了。 此外
，它還降低了IGBT在開通過程中的開關損耗。上述第2部分的考慮事項同樣適用於此處。 使用優化的EmCon二極管可使損耗降低1W左右，這是它的一個優勢。請注意，當負荷角接近1的時候，開關損耗將成為主要的損耗，因為二極管隻在輸出逆變器死區期間導通。

結論
功率半導體器件需要具備不同的特性，才能在太陽能逆變器應用中達到最高效率。新工藝的出現
，如碳化矽半導體二極管或TrenchStop IGBT等
， 正在幫助人們實現這一目標。當然
，要實現這一目標，不僅要對單個器件進行優化， 而且還要對這些器件組合在一起發生作用的方式進行優化。 這將實現最小損耗和最高效率，而這正是太陽能逆變器最重要的兩項指標。