【導讀】戶用光伏每年裝機都在高速增長，單相光伏逆變器功率範圍基本在3~10kW

，係統電路示意框圖如圖1所示
，從光伏電池板經過逆變器中DC/DC
，DC/AC電路實現綠電的能量轉換，英飛淩能提供一站式半導體解決方案包括650V功率器件
、無核變壓器CT技術驅動IC、主控製MCU和電源管理芯片等。

圖1.單相光伏係統框圖

從(cong)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)上(shang)
，逆(ni)變(bian)器(qi)需(xu)要(yao)體(ti)積(ji)小(xiao)
，重(zhong)量(liang)輕(qing)，安(an)裝(zhuang)方(fang)便(bian)，容(rong)易(yi)維(wei)護(hu)
，可(ke)以(yi)融(rong)合(he)儲(chu)能(neng)提(ti)升(sheng)用(yong)電(dian)效(xiao)率(lv)
，實(shi)現(xian)更(geng)早(zao)投(tou)資(zi)回(hui)報(bao)。從(cong)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)角(jiao)度(du)，主(zhu)流(liu)方(fang)案(an)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)TO-247封裝的分立器件，曾幾何時CoolMOS™方案因其在效率和高頻特性上的優勢被廣泛使用。但是隨著成本競爭的加劇
，英飛淩和客戶合作又提出了一種新的解決方案650V高速IGBT方案。從電路拓撲角度，比較常見的拓撲是H4， H5，H6，H6.5和HERIC等不同的電路結構
，都無變壓器，對地存在寄生電容
，基本典型值為10nF/kW。但(dan)不(bu)同(tong)的(de)拓(tuo)撲(pu)出(chu)發(fa)點(dian)都(dou)是(shi)為(wei)了(le)解(jie)決(jue)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)跳(tiao)變(bian)導(dao)致(zhi)的(de)係(xi)統(tong)對(dui)地(di)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)問(wen)題(ti)，以(yi)滿(man)足(zu)電(dian)氣(qi)安(an)全(quan)導(dao)則(ze)來(lai)設(she)計(ji)，同(tong)時(shi)要(yao)兼(jian)顧(gu)光(guang)照(zhao)不(bu)足(zu)時(shi)輕(qing)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)，基(ji)本(ben)都(dou)在(zai)最(zui)大(da)效(xiao)率(lv)98%
，加權效率97%以上。不同的電路拓撲本質上大同小異，但有著各自的優缺點和局限性。

近年來
，戶用單相光伏逆變器所用的650V單管功率器件從技術和產品上似乎鮮有新的猛料爆出。看到隔壁的大功率組串式逆變器各種定製化芯片、封裝和SiC技ji術shu，並bing由you此ci帶dai來lai的de效xiao率lv和he功gong率lv齊qi飛fei的de盛sheng況kuang。戶hu用yong逆ni變bian器qi的de開kai發fa者zhe不bu禁jin想xiang問wen，除chu了le降jiang本ben這zhe個ge永yong恒heng不bu變bian的de話hua題ti，在zai提ti頻pin和he增zeng效xiao上shang我wo們men路lu在zai何he方fang
？好hao鋼gang用yong在zai刀dao刃ren上shang，在zai目mu前qian市shi場chang還hai很hen難nan接jie受shouSiC MOSEET價格的前提下，有沒有一種結合IGBT低成本以及SiC高性能的產品？英飛淩給出了最佳的答案。

650V混合SiC IGBT特點

650V混合SiC IGBT，顧名思義是將IGBT和SiC二極管做在同一個TO247-3/4封裝裏，如圖2所示
，從而兼顧了IGBT的高性價比以及sic二極管的高速以及極低的反向恢複電流的優勢。混合IGBT單管目前有40A，50A和75A三種規格可選，戶用光伏逆變器以H5芯片為主。

圖2.單管TO-247封裝

650V 混合SiC IGBT家族

其中RH5是內置半電流SiC二極管，SS5是內置全電流SiC二極管。TRENCHSTOP™ H5是開關速度快的芯片特性，低關斷損耗，主要用於30kH以上到100kHz左右的高頻應用場合，具有較高效率。TRENCHSTOP™ S5是中等開關速度的芯片特性
，有相對低的飽和壓降，主要用於10kHz到40kHz左右的應用場合。結合內置SiC二極管特性
，對二者進行電流最佳匹配。

主要技術特點：

1.搭載了英飛淩性能優異的650V H5/S5 IGBT晶圓以及650V第六代SiC二極管

2.SiC二極管極小Qrr，有效降低對管IGBT開通損耗，且自身反向恢複損耗Erec也明顯降低

3.IGBT開通損耗隨溫度的影響很小

4.降低EMI

根據最新650V/50A產品規格書進一步分析器件的正向導通和開關參數，如圖3所示。其中RH5中的SiC二極管Vf呈現正溫度係數，在If=50A時相比EH5 Rapid1有比較高的正向壓降
，但在實際應用中由於結溫比較低，二極管電流比較小
，二者對功耗影響相差不會太大。

圖3.正向壓降Vcesat和Vf

如圖4所示，SiC二極管對IGBT開通損耗影響很大，相比EH5在Ic=25A時降低70%，總開關損耗降低55%。因此，在高頻和效率提升上，尤其小容量戶用光伏逆變器，650V SiC混合單管有很好的技術優勢，後續在HERIC電路中進行係統性能分析。

圖4.開關損耗Eon和Eoff

係統電路拓撲和仿真分析

戶用單相光伏逆變器電路拓撲以HERIC為主，該電路是2006年Sunways提出的高效可靠的逆變器拓撲結構，其基於傳統H4電路上在交流側加入旁路功能的第五、六開關。其有效隔離了零電平時候交流濾波電感L與寄生電容C之間的無功交換，提升係統效率
，且降低寄生電容上的電壓高頻分量，消除漏電流。

以HERIC拓撲為例，闡述該器件在係統效率上的優勢，該拓撲有四個高頻管，兩個工頻管。高頻管一般工作在20~30kHz，工頻管類似於T型三電平的橫管
，在PF=1的時候
，工頻管僅有導通損耗
；其反並聯二極管同時具有導通損耗和反向恢複損耗，詳細換流如圖5和6所示。

(a)Uo>0,Io>0

(b)Uo>0,Io<0

圖5.第一、二象限換流回路

當輸出Uo>0,Io>0時器件處於第一象限工作
，高頻管為T1與T4，工頻管為T5
，D6承受反向電壓。負載電流流向如圖5(a)左所示
，此時損耗主要時T1
，T4開通和導通損耗以及D6反向恢複損耗。當高頻管T1和T4關斷時，工頻管T5開通，D6正向導通續流，負載電流流向如圖5(a)右所示
，此時損耗主要是T1
，T4關斷損耗及其T5
，D6正向導通損耗。

當輸出Uo>0,I<0時器件處於第二象限
，逆變器發無功，D1與D4二極管續流，負載電流流向如圖5(b)左所示，此時損耗主要是D1與D4正向導通損耗以及D6反向恢複損耗。當高頻管T2與T3開通
，此時工頻管T6開通，D5正向導通續流，負載電流流向如圖5(b)右所示。其他兩個象限的換流回路如圖6所示，這裏就不再贅述。

(a)Uo<0,Io>0

(b)Uo<0,Io<0

圖6.第三、四象限換流回路

通過換流分析可以看出，工頻管中反向恢複二極管D6特性會影響T1，T4高頻管的開通損耗，實際是二者之間進行開關換流。因此，通過利用SiC的開關損耗低特性，650V混合管可以有效降低高頻管的損耗，顯著降低器件的工作結溫
，提升係統效率。

以8kW戶用光伏逆變器為例，基本電路仿真工作條件是Vdc=360V
，V0=230V
，fs=20kHz, Io=35A，PF=1
，Th=100℃。由換流分析，主回路高頻管采用H5芯片，將工頻交流開關用H5和混合RH5，SS5方案進行對比分析。

圖7.不同開關頻率fs下的EH5損耗

方案1全部選用IKW50N65EH5，仿真在不同開關頻率fs條件下係統的損耗和效率情況。單純在原先方案上提升器件開關頻率到30kHz和40kHz隻會增加係統損耗，效率降低
，如圖7所示。此時觀測器件工作結溫時
，當開關頻率fs提升到40kHz時
，T1與D6都已經超過最大運行結溫

，如圖8所示。因此
，根據HERIC換流電路的特點，降低換流過程中的損耗是工頻管器件設計主要考慮的出發點。

圖8.結溫分布

方案2采用650V混合SiC器件來代替工頻交流管位置
，選用IKZA50N65RH5和IKZA50N65SS5兩種來比較係統性能差異
，如圖8。RH5相比之前的EH5方案1
，在相同fs=20kHz條件下可以提升係統效率0.24%，總損耗降低19.6W左右
；SS5可以提升係統效率0.34%
，總損耗降低27.2W左右
，同時SS5相比RH5而言可以提升0.1%。此時
，T1管對應的溫度為140.3oC，T5對應結溫為106.2oC,D5對應的結溫為108oC。

圖9.用不同工頻管時的損耗和效率

如果EH5和SS5方案提升開關頻率到40kHZ,相比傳統EH5方案高出2倍
，但逆變器效率上仍然高出0.16%, 總損耗降低大約13瓦。此時器件中高頻管T1的結溫為142.4oC，工頻管T5的結溫為110.4oC，SiC二極管D6的結溫為113.2oC。另外，SiC二極管的反向恢複損耗受結溫影響比較小，基本保持不變。實際中T1管的開通損耗可能會小，有助於進一步降低高頻管的損耗。因此，650V混合全電流SiC器件可以在大範圍內有效提升HERIC拓撲電路的開關頻率和增加係統效率。

結論

該650V混合SiC產品繼承了經典的TO247封裝
，客戶可以在不變更PCBhedianluqingkuangxia
，duilaodechanpinjinxingzhijietihuan，congerzaizuiduanshijianneidadaoxitongxiaolvdetishenghezengjiakaiguanpinlvdemude。tongshi
，youyuqijiandailaixitongsunhaojianshaodeyoushi，keyijiangdisanreshejiyaoqiuhechengben；開關頻率提升可以有效降低並網電感的尺寸和大小，減少電流諧波對電網的汙染。單相HERIC電路中，用單一器件替換就可以帶來如此優勢，何苦要去折騰各種專利拓撲，各種軟開關？

來源：英飛淩工業半導體
，原創：趙振波 孫敦虎  

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