图1 BNEF机构2022-2030全球光伏新增装机预测
图1备注：以上其他部分（Other）的统计包括澳洲、北极、南极、群岛等未具体划分的地区。
未来随着光伏发电市场的蓬勃发展，光伏逆变器的应用将大幅增长。弹性市场需求叠加刚性政策目标，“光伏热”持续发力，而光伏逆变器作为光伏发电系统的“大脑”，如何更加有效率地工作是一个重要的问题，因而碳化硅顺应时势应用到光伏逆变器中的优势显而易见。
目前在光伏系统中硅基光伏逆变器的使用寿命短于光伏组件的使用寿命。而使用碳化硅的光伏逆变器能够延长逆变器寿命、提高光伏系统的整体使用时间，以减少替换光伏逆变器的成本并降低系统全生命周期内每一度电的单位成本。
近年来光伏电站电压等级从1000V提升至1500V，从1700V到2200V的转变，更高的电压要求也提升了碳化硅功率器件在光伏逆变器的使用率。
基于各种因素，碳化硅器件在光伏逆变器中的重要性不言而喻。
目前分布式光伏更受欢迎，甚至于成为全民光伏。本文将对光伏电站系统中，升压电站的功率模块进行分析，比较硅基二极管与碳化硅二极管的实际运用情况，评估我司碳化硅二极管功率器件的应用优势，协助相关人员更深刻地认识到碳化硅在光伏逆变器中的使用值。
#1
10kW光伏逆变器（见图2）
实测电路工作原理
三相10kW光伏逆变器对拓扑如图2所示，光伏板（PV）电压通过升压电站升压至母线，之后通过三相TNPC电路逆变并网。
升压部分的续流二极管如图2中绿框所示，将其由硅基功率器件换成碳化硅功率器件，因为碳化硅二极管相对于硅基的快恢复二极管（FRD）几乎没有开关损耗，因此可以提升整机效率。
如果将图2中的T1、T2由IGBT换成SiC MOSFET，可以使整机的重量和体积进一步减小，效率会进一步提高。
为了体现其优势，如何提升整机效率，本文通过实验，测试效率及损耗计算仿真的方法评估三相10kW光伏逆变器在不同工况下，使用碳化硅二极管相对于硅基快恢复二极管（FRD）所带来的效率提升。
续流二极管部分
图2 10kW光伏逆变器对拓扑
三相10kW光伏逆变器内部器件如图3直观所示，输出相电压有效值为220V，三相四线连接。
逆变器工作模式以下两种情况分别分析：当光伏板电压高于662V时，逆变器进入一级模式，即升压部分电路不工作，光伏板能量直接通过升压部分续流二极管传输到母线电容。当光伏板电压低于662V时，逆变器进入二级模式，升压部分电路工作，将光伏板能量通过升压部分电路升压之后传输到母线电容。
图3 三相10kW光伏逆变器
我司通过实测升压部分电路的相关波形（如图4），得到一级模式与二极模式的区别波形。其中紫色波形为Boost电感电流IL，红色波形为IGBT Vce。可以看到，当升压部分电压逐渐下降到662V后，三相10kW光伏逆变器由一级模式进入二级模式，升压部分电路开始工作，Boost电感电流IL和IGBT Vce的波形不再是一根直线。
图4 实测升压部分电路相关波形
#2
碳化硅二极管与硅基二极管的对比测试
碳化硅二极管的优势显现
升压部分的续流二极管选取1200V/30A硅基的快恢复二极管（FRD）和1200V/20A碳化硅二极管进行对比测试。其中1200V/20A碳化硅二极管采用我司产品GT1A2D120R。
根据三相10kW光伏逆变器一级模式和二级模式切换电压，可以通过PV=600V和PV=700V对比测试碳化硅二极管比硅基二极管的效率差别。
当PV=600V时，三相10kW光伏逆变器工作在二级模式，整机效率差别与二极管的损耗对比如图5所示，其中橘色是我司产品GT1A2D120R的相关数据，蓝色是1200V/30A硅基快恢复二极管的相关数据，横轴是逆变器输出功率，左边纵轴是整机效率（对应图中曲线），右边的纵轴是器件损耗（对应图中柱状图），由图中信息可知，升压二极管由硅基换成碳化硅，损耗最多可减少60W，整机效率最大可提升1.85%@2.5kW，0.55%@10kW。
图5 PV=600V的整机效率差别与二极管的损耗对比
当PV=700V时，三相10kW光伏逆变器工作在一级模式，整机效率差别与二极管的损耗对比如图6所示，其中橘色是我司产品GT1A2D120R的相关数据，蓝色是1200V/30A硅基快恢复二极管的相关数据，横轴是逆变器输出功率，左边纵轴是整机效率（对应图中曲线），右边的纵轴是器件损耗（对应图中柱状图），PV=700V，故升压部分电路不工作，整体效率高 (>97%)，但碳化硅二极管替代硅基二极管因其阻抗较低，器件损耗最多可减少10W，整机效率最大可提升0.06%@10kW。
图6 PV=700V的整机效率差别与二极管的损耗对比
综上所示，三相10kW光伏逆变器的升压续流二极管用碳化硅替代硅基，虽然在一级模式下（PV=700V），升压部分电路不工作，碳化硅二极管替代硅基二极管因其阻抗较低，相对损耗较小，器件损耗最多可减少10W，整机效率最大可提升0.06%@10kW。但是在二级模式下（PV=600V），优势就更明显，因为升压部分电路工作，碳化硅肖特基二极管（SBD）相对与硅基快恢复二极管（FRD）几乎没有开关损耗，整体器件损耗最多可减少60W，整机效率最大可提升1.85%@2.5kW，0.55%@10kW。
#3
结论
通过以上分析对比可以得出，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器现在和未来的发展趋势。现阶段，碳化硅二极管是光伏逆变器行业中比较普及和推崇的，节能减排立即可见。随着时代的发展趋势，光伏逆变器产品也在不断地推陈出新，大量的更高电压等级、更大电流等级的产品相继推出，基于碳化硅MOSFET的更大优势也正在发展中，因此未来市场对碳化硅MOSFET的需求增长也会非常迅速。
碳化硅材料作为第三代半导体，在逆变器、太阳能发电应用上更具效率和可靠性，目前光伏逆变器厂商也纷纷与第三代半导体企业合作，正积极测试使用碳化硅的光伏逆变器产品，抢占市场份额。在全球碳达峰碳中和的驱动背景下，新型碳化硅功率器件给光伏逆变器带来效率和损耗上的优势，将使碳化硅的应用与市场规模上升到一个新的高度。
