在光伏（fú）逆變（biàn）器中運用（yòng）SiC BJT實現更（gèng）低的係統成本【圖（tú）表】

    最近，碳化矽（guī） (SiC) 的使用為 BJT 賦予了新的生命（mìng），生產出（chū）一款可實現更高功率密度、更低（dī）係統成本（běn）且設計更簡易的器件。SiC BJT 運用在光伏電源轉換器中時，可實現良好效率，並且(也許（xǔ）更重要的是)能夠（gòu）使用更小、更便宜的元（yuán）件，從而在係統級別上顯著（zhe）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設計中逐漸取代基（jī）於矽的 BJT，但是今天，基於碳化矽的新（xīn）技術為（wéi） BJT 賦予了新的意義，特別是在高壓應用中。

    碳化矽布（bù）局以同（tóng）等或更低的損耗實現更高的開關頻率，並且在相同形狀因數的情況（kuàng）下可產生更（gèng）高的輸出功率（lǜ）。 運用了 SiC BJT 的（de）設計也將使用一個更小（xiǎo）的電感，並且使（shǐ）成本顯著降低。 雖然運用碳化矽工藝生產的 BJT 相較於僅基於矽的 BJT 會更（gèng）昂貴，但是使（shǐ）用 SiC 技術的優勢在於可在其它方麵節省設計成本，從而實現更低的整體（tǐ）成本。本文介紹的升壓轉換器設計（jì）用於光伏轉換階段，其充分利用 SiC BJT 的優勢，在顯著降低係統成本的同（tóng）時可實現良（liáng）好的效率。

    碳化矽的（de）優勢

    基於矽的 BJT 在高壓應用中失寵有幾方麵原因。 首先，Si BJT 中的低電流增益會形（xíng）成高驅動損（sǔn）耗，並且隨著額定電流的增加，損耗變得更糟（zāo）。 雙極運行也（yě）會導致（zhì）更高的開關損耗，並且在器件內（nèi）產生高動態電阻。 可靠性也是一個問題。 在（zài）正（zhèng）向偏（piān）壓模式下運行器件（jiàn），可能會在（zài）器件中形成具有高電流集中的局部過溫，這可能導致器（qì）件發生故障。 此外（wài），電感負載切換過（guò）程中出現的電壓和電流應力，可能會導致（zhì）電場應力超出漂移區，從而導致反向偏壓擊穿。這會嚴格限製反向（xiàng）安全工作區（qū） (RSOA)，意味著基於矽的 BJT 將不具有短路能力。

    在運用碳化（huà）矽的新型 BJT 中不存在同樣（yàng）的問題。與矽相比，碳化矽（guī）支持的能帶間（jiān）隙是其三倍，可產生更大的電流增益，以及更低的驅動損耗，因此 BJT 的效率更高。 碳化矽的（de）擊穿電場強度是矽的 10 倍，因（yīn）此（cǐ）器件不太容（róng）易受到熱擊穿影響，並且（qiě）要（yào）可靠得多。碳化（huà）矽在更高的溫度下表現更出色，因此應用範圍更為廣泛，甚（shèn）至（zhì）包括汽（qì）車環境。

    從成本角度而言，碳化矽的高開（kāi）關頻率在硬件（jiàn）級可實現成（chéng）本節約（yuē）。 雖然相較於基於純矽，基於碳化矽（guī）的 BJT 更昂貴，但 SiC 工（gōng）藝的高功率密度將會轉換為更高的芯片利用率，並且支持（chí）使用更小的（de）散熱器和更小的過（guò）濾器（qì）元（yuán）件。從長（zhǎng）遠來（lái）看，使用更昂貴的碳化矽 BJT 實際上更省錢，因為整體係統的（de）生產成本更低。茄子视频懂你更多（men）設計（jì）的升壓轉換器就是一個例子。 它設計用於額定（dìng）功（gōng）率為 17 千瓦的光（guāng）伏係統中，具有（yǒu） 600 伏的輸出電（diàn）壓，輸入範圍為 400 到 530 V。

    管理效率

    BJT 的驅動器電路能夠減少損耗和提高係統效（xiào）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；確保連續提（tí）供基極電流，使晶體管在導通狀態中保（bǎo）持飽和狀態。

    為了支持動態操作（zuò），15V 的驅（qū）動器電源電壓引起更快的瞬態變化，並提高性能。SiC BJT 的閾值電壓約為 3V。通常情況下無需使（shǐ）用負極驅動電（diàn）壓或米（mǐ）勒鉗（qián）位來提高抗擾度。

    SiC BJT 是一個“常關型”器件，並且僅在持續提供（gòng）基極電流時激活（huó）。選（xuǎn）擇靜態操（cāo）作的基極（jí）電流值會（huì）涉及到傳導損耗（hào）和驅（qū）動損耗間的折衷平衡。 盡（jìn）管有較高的（de）增益值(因此（cǐ）會形成較（jiào）低（dī）的基極電流)，驅動損耗對 SiC BJT 仍非常重要，由於 SiC 布（bù）局具有較寬能（néng）帶間隙，因此必須（xū）在基極和發射極（jí）間提供一個更高的正向電壓。 將基極（jí）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（dù）轉變為較高水平（píng）。 這是茄子视频懂你更多設計升壓轉換器的一個重要考慮因素，因為它會在更高（gāo）的電流紋波下運行。1A 的基極電流會使開關能力增加至 40A。

    靜態驅動損耗（hào）是選定驅動電壓和（hé）輸入（rù）電壓的一個函數(間接表示占空比值)。實現高（gāo）開關速度需要 15V 的驅動電壓，產生約（yuē） 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（dòng）態和靜（jìng）態操作，茄子视频懂你更多通常使用兩個單獨的電源電壓。圖 1 提供了示意圖。高壓驅動器的控製信號會“中斷”，因（yīn）此它僅在（zài）開關瞬態期間使能。靜態驅動（dòng）階段使用較低電壓，從而可以降低靜態損耗，並在整（zhěng）個導通期間保持激活狀態。

    圖（tú） 1.使用兩個電源電壓降低損耗

    減小濾波器的尺寸

    在更高的開關頻率下運行，可降低無源（yuán）元件（jiàn）的成本。為（wéi）了進一（yī）步提高功率密度，茄子视频懂你更多著眼於改善濾（lǜ）波（bō）器電感的方法。在評（píng）估了各種核心材料的能力後，茄子视频懂你更多選擇了一種使用 Vitroperm 500 F(一種薄夾層（céng）式（shì）納米晶（jīng）體材料)製成的新型（xíng）磁芯材料。該材料產生的損（sǔn）耗（hào）低，且在（zài）高頻率下（xià）運轉良好。此外也可在高飽和磁通值下運行，這意（yì）味著該材（cái）料比（bǐ）類似的鐵氧（yǎng）體磁芯(圖 2 右側)要小得多。使用 Virtoperm 磁芯（xīn）構成的濾波電感器，約為參照係統的四分之一大小（xiǎo）。

    圖 2 顯示了在最大電流紋波(40%)下對（duì）於不同材料將電感器尺寸作為開關頻率函數的因素。在此，茄子视频懂你更多假設電感量近似為電感值，而這又（yòu）取決於峰值磁通密度和開（kāi）關頻率。在達到指定（dìng）的臨界點(在（zài） 100mW/cm 時（shí）定義的特定損耗3)後，需要降（jiàng）低峰值磁通量以避免過熱，從而在該點（diǎn）之外運（yùn）行將（jiāng）不會導致其大小顯（xiǎn）著減小。頻率一定時，Vitroperm500F 可在所有材料中實現最佳性能。

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

    圖 3 顯示了測（cè）得的效率（lǜ）級（jí），包括采用兩階段解決方案的驅動損耗。根據計算（suàn）得出的損耗分布如下圖曲線（xiàn）所示。該係統可以在沒有達到（dào）臨界溫度或飽和度的情況下達到高電流負（fù）載。 該兩階段（duàn）驅（qū）動解決方案會將驅（qū）動損耗降低（dī）至輸入功率的 0.02% 左右（yòu）。整體損耗更低使得所需（xū）的散熱片尺（chǐ）寸（cùn）減小，且更高的開（kāi）關頻率（lǜ）允許使用更小的（de）過濾器元件。所有這些（xiē）特性最終有助於降低係統成本。

    圖3：48kHz時的效率和驅動損（sǔn）耗，以及原型圖

    結論

    碳化矽賦予 BJT 新的生命。與基於矽的前代產品不同，碳化矽 BJT 可實現低傳導損耗、高擊穿場強度，並且可在更（gèng）廣泛的溫度範圍（wéi）內（nèi）穩定運行。在驅動器電（diàn）路中使用兩個電源電壓，可降（jiàng）低驅動損耗，實現良好效率。更高的開關頻（pín）率允許使用更小的電感器，從而在係統級實現顯著的成本節約。高壓應用(如光伏逆變器)將受益於高功率密度、更低係（xì）統成本和簡易的設計，因此（cǐ） SiC BJT 成為極具吸引力（lì）的替代產品。