應用于SiC光伏并網逆變器研究的新模型，可分析開關振蕩問題

 　　輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員周林、李寒江、解寶、李海嘯、聶莉，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文指出(論文標題為“SiC MOSFET的Saber建模及其在光伏并網逆變器中的應用和分析”)，SiC MOSFET高頻、高效、高功率密度的特性符合光伏逆變器的發展趨勢，但隨之而來的開關振蕩問題亟待解決。開關頻率提升后，由于開關振蕩的存在，可能導致高頻下的并網電流波形質量下降，因此需要建立精準的模型來為SiC MOSFET在光伏逆變器中的應用提供指導。 　　目前的SiC MOSFET模型大多基于Pspice的仿真環境建立的，不能用于包含復雜的電路拓撲和控制算法的仿真研究。基于Saber環境提出一種可以將SiC MOSFET與光伏逆變器結合的模型，通過雙脈沖實驗得出SiC MOSFET的器件特性，對SiC MOSFET的靜態特性和非線性電容進行建模。 　　最后將模型運用到光伏并網逆變器中，將仿真結果與搭建的光伏并網逆變器實驗平臺實測結果進行對比，并對SiC光伏并網逆變器在不同開關頻率情況下的性能進行分析和研究，驗證了模型的準確性和適用性。 　　隨著能源的日益緊缺，清潔能源的開發和利用已成為了當今時代的迫切需要。近年來，光伏電池組件和逆變器的成本不斷降低，光伏發電已經成為了世界各國政府和能源專家的關注重點。光伏發電系統與電網需要以逆變器為接口設備，因此光伏逆變器作為現今研究熱點之一，實現其高效、高功率密度和高可靠的性能指標是保障光伏發電系統經濟、穩定運行的關鍵要素。 　　目前已有大量文獻對光伏逆變器的拓撲、控制技術、孤島檢測、鎖相同步等進行了研究。光伏逆變器各個層面上的技術研究在目前都已經達到相當成熟的地步。為了進一步降低逆變器的成本和提升逆變器的性能，對于開關器件上的改進和創新是必然的發展趨勢。以硅(Si)作為主要材料的功率半導體器件在大型光伏電站并網逆變器中使用廣泛，但由于受到自身材料的限制，Si器件的性能已接近極限。 　　近年來，SiC等寬禁帶的功率半導體器件因其可在高壓、高溫、高頻的情況下工作的特性，越來越多地走進了人們的視野，其中SiC MOSFET是現今最受關注的寬禁帶功率半導體器件，已有很多文獻對高頻的SiC MOSFET功率變換器進行了研究。 　　然而，正是由于SiC MOSFET極快的開關速度，使其對寄生參數非常敏感，導致其在開關過程中出現明顯的電壓和電流振蕩，強烈的電壓和電流過沖可能會危及器件的安全，使功率損耗增加，在運用于光伏逆變器中，還可能會影響逆變器的性能。開關振蕩問題是SiC MOSEFT成為主流功率半導體器件道路上遇到的一大挑戰。 　　為了研究和分析開關振蕩對光伏逆變器的影響以及為減振器和阻尼電路的設計提供指導，需要建立精準的SiC MOSFET模型。目前針對SiC MOSFET的建模多數只關注其本身的振蕩問題，無法將器件特性的影響體現在光伏逆變器系統的復雜拓撲中，而SiC MOSFET開關振蕩的問題對逆變器造成的影響不可忽略，因此會出現仿真與實驗結果不符的情況。這是由于在提高了開關頻率后，開關振蕩在整個開關周期內的占比增大，從而影響逆變器并網電流波形質量。 　　本文提出一種基于Saber環境下的SiC MOSFET模型，建模過程中考慮了MOSFET的各寄生元件。首先，本文選用了Cree公司生產的CCS050M12SM2型號的1.2kV SiC MOSFET作為研究對象，通過雙脈沖實驗得出了SiC MOSFET器件的各項特性曲線，為建立SiC MOSFET模型奠定基礎，為驗證分析模型的可靠性提供了參考。然后，本文建立了SiC MOSFET的靜態特性模型和非線性電容模型。 　　基于不同工作區域的情況，推導了靜態特性參數的數學方程。MOSFET各極間非線性電容對開關暫態過程的特性影響較大，開關過程中的振蕩問題也是本文關注重點。因此，為滿足電路仿真的需求，本文搭建了準確的數學模型用以描述各個電容的特性，并與普通方式搭建的模型進行對比分析。 　　最后，本文搭建了SiC單相并網逆變器實驗平臺，通過對比不同開關頻率下仿真和實驗的開關振蕩波形，對SiC光伏并網逆變器在不同開關頻率情況下的性能進行研究和分析，驗證了模型的正確性和適用性，為后續SiC MOSFET在光伏逆變器中應用提供了理論指導。
　　圖16 SiC單相并網逆變器實驗平臺 　　 結論 　　本文以1.2kV SiC MOSFET為研究對象，通過雙脈沖實驗獲取SiC MOSFET器件的各項特性曲線，在此基礎上提出了一種基于Saber仿真環境下的模型，該模型包含了器件的各項寄生元件及參數，對SiC MOSFET的靜態特性和非線性電容特性還原度較高。本文提出的模型可以運用于SiC光伏并網逆變器的仿真研究中，分析逆變器的效果及性能。 　　仿真和實驗結果表明，該模型可準確地模擬出SiC MOSFET在開關過程中出現的電壓振蕩問題，并反映出開關振蕩對并網逆變器電能質量的影響。在后續SiC光伏逆變器的研究中，該模型也可為開關振蕩的阻尼電路和逆變器控制系統的設計提供理論指導和驗證工具。基于本文提出的模型和實驗分析，可總結出以下兩點SiC MOSFET在光伏并網逆變器的應用中可能面臨的問題： 　　1)在沒有針對性的阻尼SiC MOSFET開關電壓振蕩的情況下，電壓振蕩的波峰和波谷差值較大，同時振蕩頻率非常高，在此過程中SiC MOSFET漏源極兩端的du/dt較大。因此，電壓振蕩問題也會導致逆變器出現串擾，嚴重時可能出現橋臂直通的現象，影響逆變器的正常工作。 　　2)本文選用的1.2kV SiC MOSFET在開關過程中產生電壓振蕩的持續時間約為6s，因此在逆變器開關頻率較低的情況下，振蕩過程在整個開關周期的占比小;當開關頻率提高后，逆變器橋臂上下兩端電壓在整個開關周期均處于振蕩狀態，導致高頻下的逆變器并網電流諧波相較于低頻時反而更大，不能發揮出SiC MOSFET高頻化的優勢，嚴重影響逆變器的性能。

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