【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范圍基本在3~10kW，系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，英飛凌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、主控制MCU和電源管理芯片等。
圖1.單相光伏系統框圖
從應用需求上，逆變器需要體積小，重量輕，安裝方便，容易維護，可以融合儲能提升用電效率，實現更早投資回報。從功率器件角度，主流方案都是基于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，英飛凌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。但不同的拓撲出發點都是為了解決共模電壓跳變導致的系統對地漏電流的問題，以滿足電氣安全導則來設計，同時要兼顧光照不足時輕載條件下的高效率，基本都在最大效率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制化芯片、封裝和SiC技術，并由此帶來的效率和功率齊飛的盛況。戶用逆變器的開發者不禁想問，除了降本這個永恒不變的話題，在提頻和增效上我們路在何方？好鋼用在刀刃上，在目前市場還很難接受SiC 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？英飛凌給出了最佳的答案。
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封裝里，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復電流的優勢。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，主要用于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，主要用于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.搭載了英飛凌性能優異的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，且自身反向恢復損耗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呈現正溫度系數，在If=50A時相比EH5 Rapid1有比較高的正向壓降，但在實際應用中由于結溫比較低，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，后續在HERIC電路中進行系統性能分析。
圖4.開關損耗Eon和Eoff
系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，其基于傳統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，提升系統效率，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，闡述該器件在系統效率上的優勢，該拓撲有四個高頻管，兩個工頻管。高頻管一般工作在20~30kHz，工頻管類似于T型三電平的橫管，在PF=1的時候，工頻管僅有導通損耗；其反并聯二極管同時具有導通損耗和反向恢復損耗，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時器件處于第一象限工作，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反向恢復損耗。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時器件處于第二象限，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反向恢復損耗。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，這里就不再贅述。
(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，工頻管中反向恢復二極管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，提升系統效率。
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條件下系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只會增加系統損耗，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IKZA50N65SS5兩種來比較系統性能差異，如圖8。RH5相比之前的EH5方案1，在相同fs=20kHz條件下可以提升系統效率0.24%，總損耗降低19.6W左右；SS5可以提升系統效率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二極管的反向恢復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，有助于進一步降低高頻管的損耗。因此，650V混合全電流SiC器件可以在大范圍內有效提升HERIC拓撲電路的開關頻率和增加系統效率。
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PCB和電路情況下，對老的產品進行直接替換，從而在最短時間內達到系統效率的提升和增加開關頻率的目的。同時，由于器件帶來系統損耗減少的優勢，可以降低散熱設計要求和成本；開關頻率提升可以有效降低并網電感的尺寸和大小，減少電流諧波對電網的污染。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：英飛凌工業半導體，原創：趙振波 孫敦虎
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