【導讀】電網通過輸電和配電網絡從發電機向用戶提供電能。在美國，由于儲能成本高昂并且設計和運營經驗有限，利用電力儲存來支持和優化輸配電一直受到限制。然而，最近儲能和電力技術的改進，加上市場環境的變化，預示著電力儲存領域的機遇將不斷擴大的時代即將到來。
采用全碳化硅的逆變器將徹底改變電力傳輸、可再生能源和儲能的集成方式
電網通過輸電和配電網絡從發電機向用戶提供電能。在美國，由于儲能成本高昂并且設計和運營經驗有限，利用電力儲存來支持和優化輸配電一直受到限制。然而，最近儲能和電力技術的改進，加上市場環境的變化，預示著電力儲存領域的機遇將不斷擴大的時代即將到來。
圖1展示了電力生產和輸配電基礎設施的未來愿景，將與電網相連的儲能視為更可靠、更經濟有效的模型的關鍵要素。儲能通過補償電氣異常和干擾，例如電壓的變化（如短期尖峰或波動、長期涌升或下降）、電力輸送的主頻變化、低功率因數（電壓和電流過度不合相位）、諧波（主頻以外的電流或電壓存在）以及服務中斷，提高了輸配電性能。
圖1：未來的電力輸配網中，與電網相連接的能量儲存元件至關重要
將儲能與公共事業相結合，可以讓用戶在低需求期購買廉價電能，并在價格本應較高時供應該能源，從而降低成本。儲能也可以用來替代新增發電能力。在許多地區，輸電容量未能跟上峰值需求的增長，導致輸電系統擁擠，從而增加了輸電接入費用，并采取擁擠費用或“位置邊際定價”的方式。
儲能越來越多地用于平衡風能和太陽能等可再生能源的間歇性電力供應。
碳化硅驅動儲能變革
采用全碳化硅（all-SiC）的逆變器將徹底改變電力傳輸、可再生能源整合和能源儲存。人們已經意識到，基于傳統硅的半導體具有固有的局限性，使其不適用于大規模公用事業應用。然而，通過采用碳化硅，電力電子應用包括靜態轉換開關、動態電壓恢復器、靜態無功補償器、高壓直流輸電和靈活交流傳輸系統都變得經濟可行。采用碳化硅，中壓（MV）逆變器制造商可以在100千瓦到1兆瓦范圍內實現> 97.8％的效率，從而使更緊湊的逆變器能夠在住宅和工業領域的大規模應用中部署。
將儲能系統（BESS）與中壓電網集成
一個電池儲能系統（BESS）通過使用隔離拓撲（如雙有源電橋 (DAB) 和有源前端轉換器）集成到中壓電網（2.3 kV、4.16 kV 或 13.8 kV）。
與兩電平拓撲相比，三電平（中性點鉗位）拓撲既降低了濾波器要求，也降低了碳化硅 MOSFET 上的電壓應力。根據電網電壓的不同，可以采用碳化硅 3.3 kV MOSFET二極管器件的串聯連接，如圖2所示。還可以考慮其他拓撲進行分析。低壓（LV）端采用1,200 V的碳化硅器件。在DAB中，中壓變壓器（LV到MV轉換）的運行頻率可以在10 kHz到20 kHz之間。根據功率需求，可以使用單相或三相系統。
圖2：將電池儲能系統與中壓電網相連的系統拓撲
中壓的碳化硅 MOSFET的快速開關切換瞬態可能導致dV/dt高達100 kV/μs，這要求門極驅動電路具有非常低的絕緣電容。電力傳輸階段的設計目標是高絕緣要求、低耦合電容和優化的門極驅動器占用空間。一般而言，中壓應用需要對器件進行串聯以實現冗余和高工作電壓。中壓碳化硅器件的串聯連接需要門極驅動器能夠同時切換所有器件。串聯連接的器件在開啟時的延遲可能導致電壓不匹配，從而引發過電壓或不正確的電壓分配問題。
使用3.3 kV中壓碳化硅MOSFET代替串聯低壓（1,200 V或1,700 V）MOSFET或IGBT具有巨大的優勢，包括更簡單的門極驅動、用單個中壓器件替代多個低壓晶體管和整流管可以減少相關的寄生電感、有著較低的導通損耗和更高的效率。因此，功率轉換器的整體尺寸、重量和冷卻要求可以顯著減少。
在一個4.16 kV的模塊化多電平變流器中，對3.3 kV/400A 納微半導體的碳化硅MOSFET、3.3 kV/400A 硅IGBT和由第三方提供的兩個1.7 kV/325A 碳化硅MOSFET串聯連接進行的電路效率和最大結溫測試中，顯示了3.3 kV碳化硅MOSFET在中壓應用中的顯著優點。總的來說，3.3 kV碳化硅 MOSFET減小了半導體損耗，并且有更小的安裝半導體芯片面積，提高了系統的功率密度（包括散熱器和風扇的體積）。
單片集成了MPS二極管的3.3 kV碳化硅MOSFET
通過將混合式的PiN Schottky（MPS）二極管單片集成到MOSFET中，可以進一步提高效率和可靠性。無需外部連接二極管即可實現低導通和開關損耗的續流二極管操作，同時減少與外部二極管連接相關的寄生電感。此外，這也繞過了D-MOSFET結構內置的P-well/N-漂移層形成的體二極管，其操作可能導致D-MOSFET的N-漂移層中不可避免存在的基面位錯出現故障。
圖3：三相I-V特性曲線，左側是測量得到的3.3 kV、40 m?的獨立碳化硅MOSFET，右側是集成了單片MPS二極管的SiC MOSFET
其優點包括更高效的雙向性能、溫度無關的開關特性、低開關和導通損耗、降低散熱要求、卓越的長期可靠性、易于并聯和更低的成本。
圖4：具有單片集成肖特基整流器的3.3 kV碳化硅 MOSFET的剖面器件示意圖
納微半導體的3.3 kV 分立碳化硅MOSFET和單片集成 MPS 二極管的碳化硅MOSFET通常具有3,600-3,900V的擊穿電壓范圍，遠高于數據表中的數值。在集成單片二極管時，由于在高電場下肖特基勢壘降低，觀察到稍高的漏極漏電流。圖 5 表明，在測試中，納微半導體的單片集成二極管的碳化硅MOSFET 其擊穿電壓在3.5-3.7 kV 范圍內，額定3.3 kV 擊穿電壓時漏電流約為50 μA（或0.3 mA/cm2），其 RDS(on) 約為80 mΩ（測量值）。
圖5：在單片集成MPS二極管的3.3kV碳化硅MOSFET上測量的第三象限擊穿特性
使用非鉗位感性開關（UIS）測量來研究具有集成 MPS 二極管的3,300-V 碳化硅MOSFET 的雪崩魯棒性。在峰值漏極電流為30 A 的條件下，漏極電流/電壓波形如圖 6 所示。在測試期間，漏極電壓上升到最高達4,200 V，并從 UIS 測量中提取出最大雪崩承受時間（tAV）為35 μs，單脈沖雪崩能量（EAS）為2.6 J（或7.6 J/cm2）。相比之下，對具有相同負載電感的3,300-V 分立碳化硅MOSFET 進行的測試得到的 EAS 為4.8 J。
圖6：在單片集成MPS二極管的3.3kV碳化硅MOSFET上執行的UIS測量所得的漏極電流和漏極電壓波形
短路魯棒性
納微半導體碳化硅MOSFETs的短路魯棒性是將具有和不具有單片集成MPS二極管的3.3 kV分立碳化硅MOSFETs在1,200 V的直流電源上進行評估。采用20 V / -5 V的門極驅動方案，并將器件安裝在25°C的散熱底板上。在短路脈沖期間，漏極電流增加到最高值525 A，測得短路耐受時間為4.5 μs（圖7）。
圖7：在1,200V直流電源下對具有單片集成MPS二極管的3,300V碳化硅MOSFET進行短路測試得到的漏極電流波形
總結
在逆變器中應用碳化硅將加速能量存儲技術的采用，并使其成為未來電網的關鍵元素。通過采用隔離拓撲將BESS集成到中壓電網中，使用3.3 kV的單個碳化硅MOSFET相比相同耐壓的硅IGBT或串聯的兩個1,700 V 碳化硅MOSFET，能夠實現更高的系統效率、更低的工作溫度和更小的芯片尺寸。
納微半導體的3.3 kV單體集成MPS二極管的碳化硅MOSFETs實現了遠超3.3 kV的擊穿電壓，并展現了平穩的開關性能，同時完全激活了單體MPS二極管性能。這顯著降低了第三象限工作中的功率損耗，并通過減輕雙極退化來提升器件的可靠性。UIS測試顯示了強大的雪崩能力和4.5微秒的短路耐受時間。
來源：Power Electronics News
作者：Ranbir Singh 和 Siddarth Sundaresan
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