1、电网技术GRID TECHNOLOGY100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100100 kWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkWkW碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相
2、并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计碳化硅三相并网逆变器设计邓宇杰1，杜燕1，曾磊磊2（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.国网江西省
3、电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）摘要：随着人们环保意识的不断提高，传统的化石能源越来越无法满足人们的要求，以太阳能为代表的可再生新能源逐渐引起人们的关注。而并网逆变器作为新能源与电网连接的关键一环，其性能对于整个电网系统都起着至关重要的作用。传统的光伏并网逆变器通常采用IGBT器件，但由于该种器件的开关速度受到电导调制效应影响，使得逆变器的开关频率难以提高，这就限制了光伏逆变器效率和功率密度的提升。与传统的Si器件相比，基于SiCMOSFET器件的耐压更高、导通电阻更低，并且器件结电容、门极电荷量更小，所以可以达到更快的开关频率，利于提高效率。文中主要进行了碳化硅三相并网
4、逆变器的硬件电路设计，包括主电路参数的设计以及驱动电路的设计，并在MATLAB上进行开环仿真验证。从损耗分析的角度说明了SiC器件相比于Si器件的优势，得出了SiC器件在相同损耗下的开关频率更高的特点。关键词：SiC MOSFET；并网逆变器；硬件电路；损耗中图分类号：TM 464文献标志码：B文章编号：1006-348X（2023）03-0004-06收稿日期：2023-02-20作者简介：邓宇杰（2001），男，大学本科，主要研究方向为电力电子设计与数值模拟。0引言根据“十四五”现代能源体系规划可知，在“十三五”期间，我国的太阳能发电装机总量就达到了2.5 亿 kWp。而“十四五”时期是为
5、力争在2030年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和打好基础的关键时期，加快能源系统调整以适应新能源大规模发展，推动形成绿色发展方式和生活方式1。由此可见，太阳能光伏发电的潜力远不止于此，仍然大有可为。并网逆变器在电网与光伏发电系统的连接中起着不可或缺的作用。为保证整个光伏并网系统的稳定，对光伏并网逆变器的性能也有了越来越严格的要求。因此，在光伏并网逆变器基础趋向成熟的同时，开始要求其拥有更高的效率、更高的功率密度。人们对于光伏并网逆变器的早期应用选择的是绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT）或者是金属氧化物半导体场效应晶体管（Me
6、tal Oxide Semiconductor Feild Effect Transistor，MOSFET）。作为传统的晶体管，他们的使用场合随着技术的更新迭代以及自身的局限性变得越来越少。同时，电力电子装置在当今的发展潮流中有着更高的要求，带隙能量、热导率及电子漂移等物理特性成为制约电力电子器件的主要因素。倘若无法满足“轻小快”等各类要求，此类装置终将会被时代所淘汰。最常规的Si MOSFET器件，其开关速度快，但是这种非高耐压装置并不适用于高电压大电流的环境。而由于电导调制效应，另一种 IGBT导通压降很小，因此能够胜任Si MOSFET不适用的场合。然而与之相反的是，IGBT开关频率最
7、高仅为Si MOSFET的三分之一，开关速度更慢，实际应用开关频率仅为10 kHz20 kHz左右。然而常见的电网往往是高压电，只能考虑开关频率较低的IGBT器件，这就造成了逆变器功率低下的问题。正是由于这些器件材料的局限性，导致光伏逆变器的性能很难在不变换器件的前提下获得提升。因此，新型宽禁带半导体器件就成为了重要的突破口，例如目前主流的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等器件。而对于这种新型材料的半导体器件例如碳化硅器件，其主要优势就在于：1）SiC材料的临界击穿强度约为Si的10倍，这说明了SiC材料的42023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 20
8、23耐压更高。2）SiC MOSFET的开关过程中不存在电导调制效应，所以这比Si IGBT的开关速度更快，更适用于高频场合。3）SiC MOSFET的导通电阻比更小，这也就意味着损耗更低，可以提高效率。4）由于SiC材质具有较高的热传导性能，因此可以有效地减小其体积和质量，进而增加其功率密度2。1主电路设计1.1拓扑选型在文中的设计中，逆变器主电路采用的是三相全桥拓扑结构，如图1所示。滤波器采用的是LCL 型滤波器。阻尼方式采用电容支路串联电阻的无源阻尼方案实现对 LCL 滤波器谐振的抑制，这对整个系统的稳定起到了很好的作用3。图1主电路拓扑图三相并网逆变器的工作条件如表1所示。由此展开对1
9、00 kW碳化硅三相光伏并网逆变器硬件电路的设计。表1并网逆变器技术指标参数名称直流母线电压/V开关频率/kHz逆变器额定功率/kW输出电压/V电网基频/Hz符号UdcfswP0U0fn数值1 50050100690501.2开关管设计额定功率为100 kW，根据电压有效值U0=690 V算出电流峰值I0=2 P03 U0=68.3(A)（1）逆变器开关管的最高耐压即为母线电压 Udc=1 500 V，由于选型中需要满足1.52倍的通态平均电流，故文中选择 GeneSiC Semiconductor 公司生产的 G2R50MT33K，该型号的最高耐压为 3 300 V，25 条件下额定工作电流
10、101 A，100 下额定工作电流67 A，满足要求。1.3滤波器设计1）桥臂侧电感L对于桥臂侧电感上的电压最大值ULmax以及电流最大值ismax有ULmax=Lismaxt（2）可得L=ULmax2fswismax，而对于三相并网逆变器来说，桥臂侧电感上的ULmax=Udc2，所以代入可知L=Udc4fswismax（3）工程中一般取最大纹波电流允许值为逆变器并网额定电流的10%20%，此时可得：ismax=I0（4）是电流纹波系数，通常取10%20%，I0是额定并网电流有效值。文中取0.2，代入可得：L=Udc4fswismax=7.76 10-4(H)（5）故设计桥臂侧电感为0.2 m
11、H。2）网侧电感Lg由以上求解，可得：Tg(s)Ui(s)=1LgCLs3+(Lg+L)s（6）令Lg=L，s=jsw，代入得：Tg(s)Ui(s)=1jswL(1+)-2resCLs+1（7）故可调节LCL滤波器衰减比列，太小的会使衰减效果变差，太大的会使成本增加，工程上一般取 0.05，在设计时，可计算得到网侧电感值。然后再验证总电感值以及LCL谐振频率是否满足要求，如果不满足要求需要重新选择衰减比例或者滤波电容的值计算，直到满足要求为止。在文中设计中，取=0.2，可计算得：Lg=L=4 10-5(H)（8）故设计网侧电感为40H。3）滤波电容Cf工程上通常要求电容产生的无功功率不超过5%
12、5电网技术GRID TECHNOLOGY的系统额定功率2，故有3 2c Cf 5%Pn（9）其中，uc为电容电压；Pn为并网逆变器额定功率。当网侧电感上的压降相对较小时，则电容电压uc可近似为电网相电压un，则有Cf=5%Pn3 2f u2c=1.110-5F（10）故取滤波电容Cf=10 H。4）谐振频率fres|20fn fres 0.2fsw,fsw 10kHz10fn fres 0.3fsw,3kHz fsw 10kHz5fn fres 0.5fsw,1kHz fsw 10kHz（11）其中，fn、fsw分别是电网基频和并网逆变器的开关频率因为开关频率fsw 10kHz，故得出谐振频率
13、的表达式为res=Lg+LLgLCf=54774(rad/s)（12）fres=res2=8717.2(Hz)（13）由于1 0008 717.210 000，所以满足条件。5）无源阻尼电阻Rd根据前文所述，文中采用的阻尼策略是电容支路串联电阻的无源阻尼法，所以要进行阻尼电阻的设计。而阻尼电阻Rd的结构，则必须兼顾系统阻尼与损失。在LCL滤波器参数的设计中，阻尼电阻的取值一 般 不 超 过 谐 振 角 频 率 处 滤 波 电 容 Cf容 抗 的1/33，即Rd1resCf=0.61（14）所以取Rd=0.6。2驱动电路设计2.1驱动电源设计由 GeneSiC Semiconductor 器件手
14、册得知，SiCMOSFET栅极驱动电荷QG为256 nC，当驱动电路开关频率为 50 kHz，驱动正向电压为+15 V，驱动负向电压为-5 V时，理论计算的驱动功率为：Pdrive=VGSQGfS=0.256(W)（16）其中，VGS是驱动正向电压和负向电压差值，QG为栅极电荷，fs为开关频率。故选择6路QA01C电源进行驱动，具有20 V/-4 V两路输出，可以很好地提高开通和关断能量。2.2驱动芯片设计基于碳化硅逆变器的驱动电路设计一般有两种隔离方式：光耦隔离和磁隔离。光耦隔离的基本原理是利用光作为介质，将输入和输出信号分离开来。这种方法不仅节约了成本，提高了传输效率，还提高了对EMI的抗
15、干扰能力。磁绝缘利用变压器将输入和输出信号分离，这种隔离方式虽然传输速率较高，但是抵抗电磁干扰能力弱，而且在高频环境下易出现变压器磁饱和现象4-6。在驱动电路设计时，驱动芯片应该提供足够的驱动电流，当该电流不足时，会导致器件开关过程延时，从而使得开关过程的损耗增加。因此，根据式计算出开通过程需要的平均驱动电流Ig为：Ig=QGtd(on)+tr（17）其中：QG为栅极充电电荷；td（on）为开通延迟时间；tr为上升时间。根据G3R20MT17K器件手册可知：Ig=25652+32=3.04A（18）故平均驱动电流为3.04 A，因此从隔离方式、驱动电流两个方面考虑后选择 Infineon 公司
16、生产的SiCMOSFET 栅极驱动器 1EDC60I12AHXUMA1，该驱动芯片采用Infineon特有的无铁芯变压器技术，最高能够达到3 000 V的隔离电压等级，同时该驱动芯片最高可以输出 10 A 的峰值驱动电流，能够驱动SiCMOSFET快速动作。2.3驱动电路原理首先对驱动芯片1EDC60I12AHXUMA1做简单介绍，该驱动芯片采用PG-DSO-8-59封装形式，逻辑输入引脚支持 315 V 的宽电压范围，可以直接连接到DSP或者其他微处理器的输出引脚。芯片的逻辑输入引脚，驱动输出引脚都具有欠压锁定（UVLO）功能，可以确保更可靠的开关动作。1EDC60I12AHXUMA1的引脚定义如表2所示。62023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 2023表2引脚功能引脚序号102345678信号名称VCC1IN+IN-GND1GND2VCC2OUT+OUT-功能逻辑信号输入侧电源正逻辑信号输入正端逻辑信号输入负端逻辑地驱动输出侧地驱动输出侧电源驱动电流流出端驱动电流流入端驱动芯片1EDC60I12AHXUMA1的逻辑信号侧电源VCC1具有较宽