劉學超，黃建立，葉春顯

（1.科銳香港有限公司功率與射頻器件事業(yè)部，香港；2.深圳市鵬源電子有限公司半導體事業(yè)部，深圳518031）

基于新型1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET的三相雙向逆變器的研究

劉學超1，黃建立1，葉春顯2

（1.科銳香港有限公司功率與射頻器件事業(yè)部，香港；2.深圳市鵬源電子有限公司半導體事業(yè)部，深圳518031）

研究了基于新一代寬禁帶1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET三相雙向逆變器，由于SiC MOSFET的高耐壓、低損耗、高開關(guān)頻率特性，逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)得到簡化，并提高了功率密度和可靠性。同時，利用碳化硅MOSFET的雙向第三象限導通特性，與硅基IGBT相比省略了開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管。20 kVA實驗樣機驗證了在該中大功率三相雙向逆變器中SiC MOSFET相比硅基IGBT方案的優(yōu)勢。

碳化硅；寬禁帶；雙向逆變器；反并聯(lián)二極管；第3象限

引言

隨著新能源的發(fā)展，電池儲能的應(yīng)用變得越來越廣泛。對儲能系統(tǒng)來說，一方面外部交流電網(wǎng)需要通過變換器對儲能電池適時地進行充電；另一方面，在需要的時候儲能系統(tǒng)也可以對外部交流電網(wǎng)或者其他負載通過變換器釋放交流電能。此變換器稱為雙向逆變式變換器。雙向逆變式變換器可以從直流變換成交流（DC to AC）放電電源，同時也可以通過交流電源對直流儲能系統(tǒng)（AC to DC）充電電源。該變換器的一種典型應(yīng)用是電動汽車充電系統(tǒng)，它能實現(xiàn)車輛V（vehicle）對車輛、車輛對電網(wǎng)G （power grid）之間的電力能量的互連傳遞。這種雙向逆變式變換器可以極大地利用電能效率，實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng) （V2G和G2V）在能源方面的互聯(lián)互通。雙向逆變式變換器的另一種應(yīng)用是儲能式光伏逆變系統(tǒng)，在晚間用電低谷電價低時，電網(wǎng)可以通過雙向逆變式變換器對儲能系統(tǒng)充電；在白天用電高峰時光伏對電網(wǎng)供電，在供電不足條件下，儲能系統(tǒng)可以通過雙向逆變式變換器平衡電網(wǎng)，削峰填谷，有效地最大化利用再生能源。

碳化硅（SiC）是新型第3代半導體材料的典型代表，具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)勢，特別適合制作大功率功率器件。利用SiC等新材料實現(xiàn)的功率半導體器件目前正帶領(lǐng)電力電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一場“綠色新能源革命”［3～7，9］。目前，基于SiC MOSFET的發(fā)展迅速，正逐步應(yīng)用于新能源大功率變換應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是1 200 V或1 200 V以上的SiC MOSFET，與傳統(tǒng)的硅基IGBT相比，其具有很低的開關(guān)和導通損耗、高可靠性、高耐壓、高雪崩擊穿能力等特點為電力電子逆變器系統(tǒng)的小型化、簡潔化、輕型化、高效化帶來可能。當前SiC MOSFET器件成本相對于硅器件仍然較高，因此在實際應(yīng)用中必須體現(xiàn)它的高頻化和簡化拓撲的優(yōu)勢，才能更好地用于實際系統(tǒng)中。

為此，本文提出一種基于寬禁帶SiC MOSFET的兩電平三相雙向逆變式變換器，可以將逆變拓撲從三電平簡化為兩電平，采用高頻工作實現(xiàn)較高功率密度和較低總體成本，并研制1臺20 kVA實驗樣機進行驗證。

1　碳化硅MOSFET三相雙向變換器拓撲

在傳統(tǒng)逆變器電路中，采用硅基IGBT的三電平逆變器拓撲最為常見的電路，主要包括中點嵌位型NPC（neutral point clamp）三電平電路和改進型T字型三電平電路。這些三電平逆變器主要存在以下3點局限：①電路拓撲結(jié)構(gòu)復雜，由于采用三電平技術(shù)，電路設(shè)計（包括控制和驅(qū)動部分）較為復雜，特別是對于雙向逆變式變換器來說，三電平控制策略將更加復雜；②采用硅基IGBT，開關(guān)頻率受到損耗的限制，一般頻率在20 kHz以內(nèi)，交流濾波電感由于低頻化的限制，尺寸較大，限制了功率密度的進一步提升；③由于硅基IGBT損耗較大，特別是開關(guān)損耗較大，效率受到限制。目前典型的20 kVA逆變器最高效率局限在98.6%以內(nèi)。

本文所提碳化硅MOSFET兩電平三相雙向逆變器拓撲如圖1所示。其中，每一個開關(guān)單元只含SiC MOSFET開關(guān)器件，二極管為SiC MOSFET內(nèi)部寄生體二極管，與硅基IGBT相比該逆變器不需要反并聯(lián)二極管，并且從復雜三電平電路簡化為兩電平電路。由于采用SiC MOSFET，可實現(xiàn)更高開關(guān)頻率工作，從而可減小系統(tǒng)的體積，提高功率密度，降低研發(fā)、生產(chǎn)和運輸成本。為了驗證該逆變器的性能研制了一臺20 kVA實驗樣機，圖2為樣機整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要包括主功率部分、數(shù)字控制部分和輔助電源部分，其數(shù)字控制采用傳統(tǒng)狀態(tài)空間脈寬調(diào)制SVPWM控制策略，緩解了由于三電平電路帶來的軟件資源不足的問題。本文所提碳化硅MOSFET兩電平三相雙向逆變器拓撲如圖1所示。

圖1　基于碳化硅MOSFET的兩電平三相雙向逆變式變換器拓撲Fig.1 Two-level three-phase bi-directional inverter topology with SiC MOSFET

2　碳化硅MOSFET性能

2.1碳化硅MOSFET特點總結(jié)

SiC MOSFET作為功率開關(guān)器件，具有以下主要特點：

（1）高耐壓和低導通電阻。碳化硅材料具有10倍于硅材料的電場強度，用碳化硅材料制成的平面型（Planar）MOSFET可以極大地減小耗散層的單位電阻率，理論上硅基1 200 V MOSFET的電阻率大約為RD=390 mΩcm2，而SiC基1 200 V的電阻率僅有RD=1.1 mΩcm2。因此SiC MOSFET導通電阻可以極大減小，特別適合高壓電力電子變換器應(yīng)用。目前商業(yè)化的SiC MOSFET主要以1 200 V為主，其最低導通電阻僅為25 mΩ［1］。未來可以利用SiC MOSFET實現(xiàn)更高耐壓的MOSFET，甚至SiCIGBT，比如10 kV SiC MOSFET［3，7～8］等。

（2）驅(qū)動 Vgs建議開通電壓不同于硅器件。SiC MOSFET輸出伏安IV特性曲線如圖3所示，圖（a）為SiC MOSFET的典型輸出特性曲線，圖（b）為Si MOSFET的輸出特性曲線。

圖2　基于碳化硅MOSFET的兩電平三相雙向逆變式變換器及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Two-level three-phase bi-directional inverter with SiC MOSFET and its system block diagram

圖3　SiC MOSFET和Si MOSFET典型輸出IV特性曲線Fig.3 Typical IV output characteristic curves with SiC MOSFET and Si MOSFET

由圖3可以看出，SiC MOSFET跨導（transconductance，gm）相比于Si MOSFET比較小。因此為了能得到較低導通壓降，SiC MOSFET開通驅(qū)動Vgs電壓建議為18～20 V左右，Si MOSFET開通電壓一般只需要 10～15 V。另外，SiC MOSFET本身的MOSFET特性，可以實現(xiàn)0 V關(guān)斷，但為了SiC MOSFET的快速開關(guān)特性，在關(guān)斷SiC MOSFET的時候一般建議-3～-5 V關(guān)斷電壓，避免關(guān)斷過程由于快速開關(guān)干擾誤觸發(fā)MOSFET開通閾值電壓VTH。典型SiC MOSFET驅(qū)動電路包括信號隔離、供電隔離和功率驅(qū)動等，如圖4所示。

（3）基于高耐壓特性SiC MOSFET單位晶元比Si基IGBT和MOSFET要小很多，使得SiC MOSFET寄生參數(shù)，如Ciss、Crss、Coss等比普通Si器件要小，開關(guān)時間短，開關(guān)損耗低。圖5是實測額定電流20 A的SiC MOSFET與Si IGBT、Si MOSFET開關(guān)損耗的比較。SiC MOSFET開關(guān)損耗僅為Si器件開關(guān)損耗的1/5，甚至小于1/10。隨著SiC器件設(shè)計的快速發(fā)展，可以預見開關(guān)損耗（Eon和Eoff）還能夠進一步降低。

（4）SiC MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖6所示為同一額定電壓900 V的器件反向恢電荷由圖可見，SiC MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于硬開關(guān)橋式電路來說，這個指標非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗，便于提高開關(guān)的工作頻率。

圖4　碳化硅MOSFET典型驅(qū)動電路Fig.4 Typical gate drive circuit of SiC MOSFET

圖5　SiC MOSFET和Si開關(guān)器件關(guān)斷和開通損耗比較Fig.5 Switching turn-off loss and turn-on loss comparisons between SiC MOSFET and Si devices

圖6900　V SiC MOSFET和900 V Si MOSFET的反向恢復電荷QrrFig.6 Reverse recovery charge Qrrwith 900 V SiC MOSFET and 900 V Si MOSFET

圖725　°C和150°C時SiC MOSFET 第1、3象限輸出IV曲線Fig.7 First quadrant and third quadrant output IV characteristic curves at temperature 25°C and 150°C

2.2碳化硅MOSFET第3象限工作特性

與傳統(tǒng)IGBT不同，SiC MOSFET具有雙向?qū)ㄌ匦?，器件可以工作在?、3象限。圖7是常溫和高溫下電流50 A時SiC MOSFET在不同驅(qū)動電壓下的輸出IV特性曲線。當驅(qū)動電壓Vgs=0 V時，反向第3象限電流流過MOSFET體二極管。當Vgs= 20 V時，常溫25°C條件下，第1象限和第3象限對稱，MOSFET具有雙向?qū)ㄌ匦?。當Vgs=20 V時，高溫150°C下，在額定電流電流50 A以下，第1象限和第3象限對稱，MOSFET同樣具有雙向?qū)ㄌ匦?，在超過額定電流時，由于MOSFET溝道電阻急劇增加，導通壓降超過體二極管管壓降Vf，大部分電流在第3象限將不再流過MOSFET溝道，轉(zhuǎn)而流過MOSFET寄生體二極管，表現(xiàn)為體二極管特性。基于以上特點，SiC MOSFET在設(shè)計逆變電路時不需要像 IGBT一樣反并聯(lián)二極管。利用 SiC MOSFET的雙向?qū)ㄌ匦允沟秒娏骷纯梢詮穆OD流到源極S，也可以從源極S流到漏極D。

3　SiC MOSFET的三相雙向逆變器樣機研制與實驗

根據(jù)SiC MOSFET的特點，本文試制了圖2的20 kVA兩電平三相雙向逆變器。其直流側(cè)電壓為600～800 V，交流側(cè)直接與380 V電網(wǎng)并網(wǎng)。與傳統(tǒng)三電平方案相比，開關(guān)頻率從傳統(tǒng)20 kHz左右提高到40～60 kHz。每個開關(guān)器件有 2顆80 mΩ、1 200 V SiC MOSFET［2］并聯(lián)，電路得到極大簡化，從而提高了功率密度和可靠性。

3.1逆變器樣機工作模式

20 kVA基于SiC MOSFET的三相雙向逆變式變換器實驗樣機及實驗平臺?？梢杂糜趦δ苁焦夥蛘唠妱悠嚦潆娧b置中，直流側(cè)可以連接任何600～800 V的高壓系統(tǒng)，交流側(cè)可以與三相電網(wǎng)進行并網(wǎng)，如圖8所示。該三相雙向逆變式變換器可以工作在直流轉(zhuǎn)交流狀態(tài)，也可工作在交流轉(zhuǎn)直流狀態(tài)，從而根據(jù)系統(tǒng)能源需要實現(xiàn)雙向能源互聯(lián)。當工作在交流電轉(zhuǎn)為直流電的條件下，通過控制策略可以進行高功率因數(shù)校正；當工作在直流電轉(zhuǎn)為交流電的條件下，通過控制策略可以實現(xiàn)低總諧波失真輸出。

此三相雙向逆變器單一橋臂一共有6種工作模式，如圖9和表1所示，其中模式2和模式5為SiC MOSFET的體二極管工作，由于該寄生體二極管具有較小的Qrr和trr，所以可設(shè)定較小的死區(qū)時間，在該項目中死區(qū)時間設(shè)定為300 ns，便于損耗的減小和頻率的提升。另外，SiC MOSFET工作在第1和第3象限中，省略了傳統(tǒng)橋式逆變電路中的反并聯(lián)二極管。

圖8　SiC MOSFET 20 kW三相雙向逆變器實驗樣機和實驗平臺Fig.8 Prototype of SiC MOSFET 20 kW three-phase bi-directional inverter and its testing platform

3.2逆變器樣機效率測試

對該20 kVA實驗樣機進行了整機效率測試，測試結(jié)果如圖10所示，其中效率測試包含有12 W風扇和供電輔助電源的損耗。在600 V直流輸入、60 kHz頻率時最高效率接近99%，歐洲標準效率測試結(jié)果達到98.4%。與傳統(tǒng)三電平IGBT方案相比（IGBT方案典型最高效率在98.6%），效率得到明顯提升。

圖9　碳化硅MOSFET 20 kVA三相雙向逆變器6種工作模態(tài)Fig.9 Six operation modes of SiC MOSFET 20 kVA three-phase bi-directional inverter

表1　SiC MOSFET三相雙向逆變器工作模式Tab.1 Operation modes of SiC MOSFET based threephase bi-directional inverter

圖10　碳化硅MOSFET 20 kVA三相雙向逆變器實測效率Fig.10 Efficiency of SiC MOSFET 20 kVA three-phase bi-directional inverter

圖11　SiC MOSFET 20 kVA三相雙向逆變器在800 V直流滿載下熱成像Fig.11 Thermal image of SiC MOSFET 20 kVA threephase bi-directional inverter at DC 800 V full loading

3.3逆變器實驗樣機溫度測試和實驗波形

圖11在直流800 V電壓滿載逆變條件下實拍實驗樣機紅外線溫度成像。測試過程采用12 W風冷散熱器，環(huán)境溫度為25°C。由圖可見，在三相雙向逆變式變換器滿載工作的條件下，上下橋臂Q1至Q6SiC MOSFET的結(jié)溫度均小于60°C；而交流側(cè)濾波電感L1、L2和L3的溫度均小于65°C；最高溫度出現(xiàn)在交流側(cè)共模電感下，溫度大約為84°C。

交流側(cè)并網(wǎng)后的電壓、電流波形如圖12所示。由圖可見，雖然采用兩電平電路，但由于提高了開關(guān)頻率，電流的總諧波失真可以控制在5%以內(nèi)，滿足諧波測試標準要求。圖13是開關(guān)驅(qū)動電壓Vgs和上下橋臂電壓Vds在正半和負半周峰值滿載800 V直流下開關(guān)頻率的測試波形。Vgs驅(qū)動開通電壓為+18 V，關(guān)斷為-5 V。上下橋臂死區(qū)時間為300 ns，Vds最高尖峰電壓控制在1 000 V以內(nèi)。另外，由圖可以看到溫度最高的是輸出共模電感，這主要是兩電平電路較高dv/dt產(chǎn)生的漏電流在共模電感上產(chǎn)生的損耗，是兩電平逆變拓撲的缺陷，需要進一步采取措施減小漏電流問題。

圖12　在600 V、800 V直流滿載并網(wǎng)交流電壓和電流波形Fig.12 AC voltage and current waveforms at DC 600 V and DC 800 V full loading

圖13　在800 V直流滿載開關(guān)驅(qū)動電壓Vgs和上下橋臂Vdc電壓波形Fig.13 Vgsvoltage and Vdcvoltage waveforms at 800 Vdcfull loading

4　結(jié)語

本文研制了一種三相雙向逆變式變換器，功率開關(guān)器件全部采用碳化硅MOSFET，它可以將功率開關(guān)器件的開關(guān)工作頻率提高到60 kHz，優(yōu)化了交流側(cè)濾波電路的設(shè)計，實現(xiàn)了更高效率和更高功率密度的工作。由于是兩電平技術(shù)，電路設(shè)計簡單、可靠，還可以減小系統(tǒng)的體積和大小，降低成本。20 kVA雙向逆變式變換器實驗樣機在更高開關(guān)頻率下實現(xiàn)整機最高效率接近于99%，器件溫度控制在合理的工作溫度下，從而提高可靠性和壽命，為三相雙向逆變器簡化帶來可能。

［1］C2M0025120D規(guī)格書［OL］.美國：Cree InC，［2015-10］http：//www.cree.com.

［2］C2M0080120D規(guī)格書［OL］.美國：Cree InC，［2015-10］http：// www.cree.com.

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Study of Three-phase Bi-directional Inverter Based on New Generation 1 200 V Silicon Carbide（SiC）MOSFET

LIU Xuechao（Jimmy）1，HUANG Jianli1，YE Chunxian2
（1.Power and RF Device Department，Cree Hong Kong Limited Hong Kong，China；2.Semiconductor Department，Shenzhen Advantage Power Limited，Shenzhen 518031，China）

In order to simplify the bi-directional topology and increase the overall system power density，in this paper a three-phase bi-directional inverter is proposed with a next generation wide bandgap（WBG）1 200 V silicon carbide （SiC）MOSFET.Thanks to high breakdown voltage and low losses of SiC MOSFET，the inverter topology is simplified and power density is increased with high switching frequency and high system reliability.Meanwhile，the bi-directional SiC MOSFET at third quadrant helps inverter to operate as normal without anti-parallel diode.A 20 kVA three phases bi-directional inverter prototype demonstrates the advantages of SiC MOSFET compared to the conventional Si based IGBT‘s solutions.

silicon carbide（SiC）；wide bandgap（WBG）；bi-directional inverter；anti-parallel diode；the third quadrant

劉學超

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.59

TM919

A

2015-12-24

劉學超 （1977-），男，通信作者，博士，研究方向：電力電子技術(shù)及功率半導體應(yīng)用，E-mail：jim-liu7721@163.net。

黃建立（1978-），男，碩士，研究方向：電力電子功率半導體應(yīng)用，E-mail：kinlap.wong@wolfspeed.com。

葉春顯（1985-），男，本科，研究方向：電力電子功率半導體應(yīng)用，E-mail：michael.ye@szapl.com。