可再生能源系统中宽带隙器件的分析

在可再生能源设备方面,最大效率和高功率密度在增加其市场潜力方面发挥着关键作用.太阳能等能源的采用需要高效可靠的电力转换器来调节电压和电流,实现最大功率点跟踪,并确保最佳的系统性能.与传统转换器相比,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙器件提供了更好的效率和可靠性.这一发展使人们能够制造出有能力和可靠的光伏转换器,随着太阳能的使用持续增长,这些转换器的需求量很大.

宽带隙(WBG)器件在用于可再生能源系统(RES)时存在挑战.快速开关速度会导致电磁干扰(EMI)增加和系统性能下降,同时最大限度地减少杂散电容和电感对于避免过电压至关重要.高昂的市场价格阻碍了广泛采用,但并联的Si和SiC器件允许在光伏和风电转换器中进行准软开关,并提高轻至中等负载的效率.

光伏转换器和风力涡轮机转换器中的WBG设备

光伏逆变器以其功率输出为特征,可分为四大类,即住宅(<10kW)\小型商业(10-100kW)\大型商业(100-250kW)和公用事业应用(250kW1MW).图1描述了一个典型的商业规模光伏逆变器系统,其中系统的效率和功率密度主要受直流/交流逆变器和输出无源滤波器的影响.

WBG器件有可能提高逆变器系统的开关频率和工作温度,从而实现更紧凑\更节能的设计.通过使用WBG设备,该系统可以实现更高的功率密度和改进的输出,使其成为各种应用的一个有吸引力的选择.

SiC器件的额定电压电平较高,通常为1.2kV或1.7kV,而GaN器件的额定电流电平较低,通常不超过600V.SiC器件的较高额定电压允许其用于中功率和高功率应用,如功率转换器\电机驱动器和并网逆变器.另一方面,GaN器件的较低额定电压使其适用于低功率应用,如用于住宅和商业太阳能装置的微型逆变器和小串逆变器.
因此,此类设备也已成为风力涡轮机系统中功率转换的一种有吸引力的解决方案.目前大多数风力涡轮机都使用变速发电机,这需要通过功率转换器进行控制.WBG设备是风力涡轮机中固态功率转换的理想选择,可提供高效率和高功率密度,这一点很重要,因为超过75%的风力涡轮机需要功率转换器进行控制.这包括功率转换器\无源滤波器和冷却系统.
此外,WBG器件的高温稳定性使其更加可靠,并能够在功率转换单元中实现更好的热管理.在风力涡轮机系统中使用WBG设备有可能提高系统性能,降低维护成本,并提高能源产量.

使用"SIC+SI"混合设备的高效风力涡轮机功率转换器

在商业规模的太阳能系统中使用三相无变压器光伏逆变器是一个挑战,因为所涉及的额定功率很大.在这种逆变器中实现SiC器件的一个主要障碍是它们的高成本.然而,可以通过利用混合器件来克服这一挑战,该混合器件将SiC和Si器件并联连接,以在轻负载或中等负载条件下实现更高的效率,从而降低所需的SiC额定值并降低器件成本.

400A/1.2kV混合模块的基本结构包括一个SiC MOSFET(100A/1.2kV)和三个Si IGBT(100A/1.27kV).SiC和Si器件的并联允许在各种负载条件下高效运行,Si器件在低或中负载条件下承担负载,而SiC器件承担高负载.

图2所示的混合SiC-MOSFET-IGBT器件的开关模式设计用于在器件的导通和关断期间实现准零电压开关(ZVS).这是通过在导通期间比IGBT更早地导通SiC MOSFET并且在关断期间比IGBT晚地关断SiC MOSFET来实现的.仔细选择开启和关闭延迟,使其短于互补开关之间的死区时间,长于制造商数据表中为每个设备规定的开启/关闭时间.

然而,应该注意的是,在导通和关断延迟期间,整个负载电流流过SiC MOSFET,这可能导致在重负载条件下的器件可靠性问题.因此,建议仅在轻负荷或中等负荷条件下使用此切换模式.总的来说,仔细选择导通和关断延迟对于实现准零电压开关和提高混合SiC MOSFET的效率至关重要

图3a：使用混合器件和硅IGBT的DFIG功率转换器的效率比较.图3b：在不同风速下,"SiC+Si"混合器件和硅IGBT之间的DFIG功率转换器效率比较.

图中所示的模拟结果3a和3b展示了使用基于主要Si IGBT和次要SiC MOSFET/JFET的混合器件来提高风力涡轮机功率转换器效率的潜力.值得注意的是,随着开关频率的增加,使用混合器件的效率增益变得更加显著.这是因为SiC器件的开关损耗与开关频率成比例地增加,而Si IGBT的导通损耗随着开关频率的增加而减小.因此,更高的开关频率可以充分利用使用混合设备的好处.
此外,图3b中的效率比较结果表明,使用混合器件的DFIG转换器比硅基转换器具有更高的效率.这是由于SiC器件的导通损耗较低,开关速度较快,可以减少功率损耗,提高转换器的动态响应.总的来说,这些模拟结果表明,使用混合设备可以是一种提高风力涡轮机功率转换器效率和性能的经济有效的方法,并有助于更广泛地采用风力发电.


宽带隙器件在可再生能源电力变换器中的挑战

在用于可再生能源转换系统的功率转换器中使用WBG设备可以极大地提高系统性能.然而,WBG设备的这种应用也带来了需要解决的实际挑战.
为了应对EMI增加的挑战,提出了几种推荐的解决方案,包括屏蔽\滤波和布局优化.为了衰减功率转换器中的EMI信号,屏蔽可以包围噪声源,滤波可以插入无源滤波器,布局优化可以通过缩短高频电路之间的距离和使用接地平面来减少辐射.
WBG器件由于高dv/dt和di/dt而面临可靠性挑战,但这些问题可以通过缓冲电路\增加栅极电阻和优化驱动方案来解决.缓冲器抑制过电压和过电流,而增加的栅极电阻减缓开关速度以减少应力.优化的驱动方案提高了切换性能

WBG器件的成本阻碍了它们在RES功率转换器中的采用,但使用Si和SiC器件的混合方法可以在不显著提高成本的情况下提高效率.混合并联和组合模块可将开关损耗降低40%,从而实现更高的工作频率.用基于WBG的两级拓扑取代基于Si的三级NPC转换器可以实现更高的效率\更低的复杂性和成本,使其成为RES功率转换器的可行选择.


结论
实验分析了在光伏和风力发电系统的功率转换器中使用SiC和GaN器件的性能优势.提出了一种低成本\高效率的混合装置,并对RES中使用的大额定功率转换器进行了仿真.仿真结果验证了该混合装置的效率提高,使其成为大型光伏和风能系统与传统系统相比具有成本效益的解决方案.测试还讨论了与使用WBG d相关的挑战