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戶用光伏

在“雙碳”目標(biāo)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的雙重加持下，戶用光伏迎來(lái)了跨越式的發(fā)展。據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2021年全國(guó)光伏新增裝機(jī)5488萬(wàn)千瓦，戶用光伏達(dá)到2160萬(wàn)千瓦，占比39.4%，表明戶用光伏已經(jīng)成為光伏產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是我國(guó)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向低碳綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。戶用光伏側(cè)重于用戶自發(fā)自用，裝機(jī)容量相對(duì)于工商業(yè)光伏較小。

圖1 2021年全國(guó)光伏新增占比

光伏發(fā)電的原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，將光伏陣列產(chǎn)生的直流電通過(guò)變流器轉(zhuǎn)換為交流電進(jìn)行并網(wǎng)或者供給負(fù)載使用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有集中式、組串式以及微型逆變器等多種結(jié)構(gòu)形式，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)功率等級(jí)和安裝方式的不同要求。對(duì)于容量在幾千瓦左右的戶用光伏，并網(wǎng)逆變器通常采用組串式的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為每一個(gè)光伏組件串都配置一個(gè)DC-DC和一個(gè)DC-AC變流環(huán)節(jié)，前級(jí)DC-DC直接與光伏組件串輸出側(cè)相連接，達(dá)到升壓穩(wěn)壓的作用，同時(shí)采用最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)技術(shù)使光伏陣列保持最大功率輸出。后一級(jí)DC-AC將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)頻率相位相匹配的交流電，經(jīng)過(guò)濾波器濾波后與電網(wǎng)連接。組串式結(jié)構(gòu)因其轉(zhuǎn)換效率高、模塊化易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于民用住宅和商業(yè)建筑當(dāng)中。

圖2 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏組件因其特殊結(jié)構(gòu)會(huì)在光伏發(fā)電系統(tǒng)與大地之間引入一個(gè)較大的寄生電容CPE，逆變器正常工作開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生的dv/dt會(huì)作用在該寄生電容上形成位移電流，使得電網(wǎng)和光伏逆變器之間存在漏電流icm，這不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成電磁干擾，降低電能質(zhì)量，而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)絕緣造成損壞，威脅人身安全。因此德國(guó)DIN VDE 0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光伏逆變系統(tǒng)在漏電流超過(guò)300mA時(shí)需要在0.3s內(nèi)與電網(wǎng)斷開(kāi)。漏電流嚴(yán)重影響到了光伏設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素。

表1 光伏系統(tǒng)允許最大漏電流

抑制系統(tǒng)漏電流可以通過(guò)引入變壓器，對(duì)光伏陣列與電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而戶用光伏由于在設(shè)備體積和重量方面存在一定限制，通常采用特殊的非隔離型逆變器，配合優(yōu)化的調(diào)制策略來(lái)減小共模電壓，達(dá)到抑制漏電流的目的。隨著光伏逆變技術(shù)的發(fā)展，適用于中小功率的H5、H6、Heric等多種新型拓?fù)渲饾u被提出，并成為并網(wǎng)逆變器的主流拓?fù)洹?/p>

其中德國(guó)Sunways公司的Heric拓?fù)鋺{借其共模噪聲小，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最為普遍的非隔離型逆變結(jié)構(gòu)之一。

圖3 Heric拓?fù)湓韴D

為了滿足其對(duì)并網(wǎng)電壓等級(jí)和裝機(jī)容量的需求，士蘭微電子推出了型號(hào)為SGTP75V65SDS1P7的650V IGBT，可以高效配合50kW以下戶用光伏產(chǎn)品。

士蘭微電子SGTP75V65SDS1P7最大耐壓在650V以上，額定電流高達(dá)75A，對(duì)目前主流的戶用光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)涠加泻芎玫倪m配性，可以應(yīng)用于1-10kW單相逆變器各個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管，同時(shí)也可以應(yīng)用于10-60kW三相T型逆變器中交流側(cè)連接中點(diǎn)的橋臂處的開(kāi)關(guān)管(橫管)。

SGTP75V65SDS1P7

產(chǎn)品介紹

SGTP75V65SDS1P7 650V/75A絕緣柵雙極型晶體管采用第5代場(chǎng)截止(Field Stop 5)制作工藝，先進(jìn)的高密度溝槽技術(shù)保證了較低的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)損耗。內(nèi)部采用超快速軟恢復(fù)二極管進(jìn)行反并聯(lián)，優(yōu)化了反向恢復(fù)特性，提高了器件開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)性能。SGTP75V65SDS1P7適用于光伏、UPS、SMPS以及PFC等應(yīng)用領(lǐng)域，其采用獨(dú)特的封裝技術(shù)，增強(qiáng)了散熱能力和機(jī)械強(qiáng)度，使器件具有更強(qiáng)的抗熱疲勞能力和惡劣環(huán)境適應(yīng)能力。

產(chǎn)品特點(diǎn)

性能對(duì)比

目前士蘭微電子SGTP75V65SDS1P7已經(jīng)應(yīng)用于諸多光伏產(chǎn)品當(dāng)中，并且在部分性能指標(biāo)上表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。SGTP75V65SDS1P7基于士蘭自主研發(fā)的制作工藝和封裝技術(shù)，優(yōu)化了反并聯(lián)二極管的軟恢復(fù)特性，有效降低了反向恢復(fù)過(guò)程中電壓振蕩與過(guò)沖，獲得更好的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性。由圖4-圖6所示的常溫下250V、30A/70A工況的雙脈沖測(cè)試對(duì)比可以得出，士蘭微電子SGTP75V65SDS1P7在開(kāi)通過(guò)程中無(wú)高頻振蕩;與A公司競(jìng)品對(duì)比，二極管關(guān)斷時(shí)，反向恢復(fù)電流和尖峰電壓更小，無(wú)異常振蕩。

測(cè)試條件：常溫25℃，額定電壓250V，額定電流30A、70A.

彩色：SGTP75V65SDS1P7，黑色：A公司競(jìng)品

圖4 開(kāi)通波形對(duì)比

圖5 關(guān)斷波形對(duì)比

圖6 反向恢復(fù)波形對(duì)比

由于采用了FS5溝槽柵工藝技術(shù)，SGTP75V65SDS1P7同樣有著出色的損耗性能。單相8kW整機(jī)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖7和圖8所示，士蘭產(chǎn)品的開(kāi)通損耗與導(dǎo)通損耗較小，與 A公司競(jìng)品基本相同，低于國(guó)外友商B公司競(jìng)品。關(guān)斷損耗與反向恢復(fù)損耗較大，優(yōu)勢(shì)較小。總體損耗略高于A公司競(jìng)品，在母線電壓360V和480V的工況下橫管損耗低于國(guó)外友商B公司競(jìng)品。CEC和EU加權(quán)效率測(cè)試在98.5%以上。

仿真條件：?jiǎn)蜗郒ERIC拓?fù)?，輸出額定功率8000W，輸出電壓220V

圖7 母線電壓360V下?lián)p耗仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 母線電壓480V下?lián)p耗仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 器件結(jié)溫對(duì)比

圖10 CEC與EU測(cè)試加權(quán)效率對(duì)比

結(jié)論

SGTP75V65SDS1P7 650V/75A是基于士蘭先進(jìn)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)的第5代高功率密度IGBT，適用于容量50kW以下的光伏產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。士蘭微電子SGTP75V65SDS1P7產(chǎn)品在損耗有較大優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，選擇犧牲小比例的效率性能，去折中優(yōu)化開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生較大的電壓過(guò)沖和振蕩，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，利于光伏整機(jī)應(yīng)用。