周末读：晶体管过渡

摘自《光伏》杂志，七月版

如今，在任何大型贸易展览会上走一走，都表明所有知名的逆变器制造商的效率等级都达到了98％以上。Fraunhofer IEE变频器和驱动技术部门负责人Marco Jung说：“如今，效率不再是真正的问题-降低成本是大多数制造商追求的目标。”

为了降低能源的平均成本，一些逆变器制造商正在寻找替代逆变器核心的替代产品-半导体功率模块上的晶体管。迄今为止，业界明显的首选是由硅制成的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。由碳化硅制成的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具有一系列优点，但是它们的可用性，价格有限，需要对逆变器电源进行全面重新设计以及对半导体器件的担忧寿命，一直是使该技术达到完全市场成熟的限制因素。

自2011年以来，碳化硅半导体已经面世，功率等级适合逆变器行业。许多逆变器供应商已开始在原型产品或小批量生产中实施碳化硅。

2018年11月，Kaco New Energy将第一批批量生产的碳化硅MOSFET逆变器Blueplanet 125 TL3推向市场。在产品推出前的几年中，Kaco与Franhofer IEE和Infinion合作，将功率密度降低到1kg / kW以下，从而生产出了30 kW的演示器产品。Kaco面向市场的125 kW逆变器重量仅为80kg。SMA也于2019年初推出了其Sunny Highpower Peak 3，该产品具有碳化硅MOSFET和结合Kaco产品的硅IGBT的特点。

更高的功率密度

逆变器公司试图采用该技术的主要原因是为了实现更高的功率重量比和更紧凑的设备设计。轻量化和轻量化在串式逆变器的公用事业规模应用中发挥了相当不错的作用，“因为当您将其安装在偏远地区时，两个人应该可以搬运和安装它”，CTO Matthias Haag说道。凯科新能源。

2008年，Kaco的100 kW逆变器重量为1129千克，高出地面2.12m。新的Blueplanet 125 kW TL3型号重80kg。减轻重量的原因是较少的散热需求，以及无源和磁性组件（例如电感器，电容器，升压转换器，正弦滤波器以及最终外壳）的尺寸显着减小。更高的开关频率和更低的电感允许这些元件的尺寸缩小。

Kaco在配备MOSFET的25 kW示范逆变器中测量了每种成分对设备最终最终重量的贡献。在此演示器中，仅外壳就占总重量的25％，其次是散热器，其又占总重量的9％。直流和交流侧的电感，再加上各自的外壳和焊接点，占逆变器重量的34％。减轻重量对设备的紧凑性有重大影响。

无源磁性元件

碳化硅半导体可提供更高的开关频率。Fraunhofer IEE的Jung表示，与IGBT的约16 kHz工业标准相比，新型MOSFET逆变器的开关频率约为50 kHz，这可以减小逆变器无源磁性元件的尺寸。逆变器的主要任务是将直流电转换为交流电。开关尚未产生非常符合电网要求的正弦交流电压。在逆变器的配置中，必须布置一系列直流链接电容器，正弦滤波器，以产生平滑的正弦波。当使用较低的开关频率时，这些元件必须更大。Haag认为，真正的技术是管理印刷电路板上的高功率。

同样，荣格及其在Fraunhofer IEE的Fabian Schnabel的同事与他一起从事PV LEO项目工作，也指出了安排元件以保持印刷电路板上的寄生电感尽可能低的复杂性。MOSFET暴露于EMC中会降低开关速度并降低开关边缘的陡度。

此外，Jung说，高电感会在开关过程中产生最高峰值，如果管理不当，则会使MOSFET烧毁。如果使用碳化硅半导体正确完成操作，则可以将扼流圈和电容器的重量减少30％至50％。SMA技术开发中心负责人Sven Bremicker指出了SMA 150 kW Highpower Peak 3中使用的扼流圈，当被告知这是一个炊具的大小时，迅速回答道，“这就是锅的大小。如果我们不使用碳化硅，则是10升的水桶。”

但是，还有其他好处使MOSFET具有吸引力。根据Jung和Schnabel的说法，MOSFET的更高开关频率使其更易于为逆变器提供电网辅助服务。迄今为止，逆变器总是试图尽可能完美地产生正弦波。但是，更有效地抑制高于50 Hz的谐波含量的调制可能会以更具竞争力的成本帮助改善电网质量。