就可再生能源设备而言，最大效率和高功率密度在增加其市场潜力方面发挥着关键作用。采用太阳能等能源需要高效可靠的电源转换器来调节电压和电流，实现最大功率点跟踪，并确保最佳系统性能。与传统转换器相比，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙器件可提供更高的效率和可靠性。这一发展使得有能力和可靠的光伏转换器的产生成为可能，随着太阳能使用的持续增长，这种转换器的需求量很大。

当用于可再生能源系统(RES)时，宽带隙(WBG)器件提出了挑战。快速开关速度会导致电磁干扰(EMI)增加和系统性能下降，而最大限度地降低杂散电容和电感对于避免过压至关重要。高昂的市场价格阻碍了广泛采用，但并联Si和SiC器件可以实现准软开关，并提高光伏和风能转换器在轻至中等负载下的效率。

光伏转换器和风力涡轮机转换器中的WBG器件

光伏逆变器的特征基于其功率输出，可分为四个主要类别，即家用(< 10kW)、小型商用(10-100kW)、大型商用(100-250kW)和公用事业应用(250kW1MW)。图1描述了一个典型的商用级光伏逆变器系统，其中系统的效率和功率密度主要受dc/ac逆变器和输出无源滤波器的影响。

WBG器件有可能提高逆变器系统的开关频率和工作温度，从而实现更紧凑、更节能的设计。通过利用WBG器件，该系统可以实现更高的功率密度和改善的输出，使其成为各种应用的一个有吸引力的选择。

SiC器件的额定电压较高，通常为1.2 kV或1.7 kV，而GaN器件的额定电压较低，通常不超过600V。SiC器件的额定电压较高，因此可用于功率转换器、电机驱动和并网逆变器等中高功率应用。另一方面，GaN器件的额定电压较低，因此适合低功耗应用，例如家用和商用太阳能装置的微型逆变器和小型串联逆变器。

由于这个原因，这种装置也已经成为风力涡轮机系统中功率转换的有吸引力的解决方案。大多数当今的风力涡轮机利用变速发电机，这需要由功率转换器控制。WBG器件非常适合风力涡轮机中的固态功率转换，能够提供高效率和高功率密度，这一点非常重要，因为超过75%的风力涡轮机需要功率转换器来控制。这包括电源转换器、无源滤波器和冷却系统。

此外，WBG器件的高温稳定性使其更加可靠，并能在功率转换单元中实现更好的热管理。在风力涡轮机系统中使用WBG装置具有提高系统性能、降低维护成本和增加发电量的潜力。

使用“SIC+SI”混合器件提高效率的风力涡轮机功率转换器

由于涉及较大的额定功率，在商业规模的太阳能系统中使用三相无变压器光伏逆变器是一个挑战。在这种逆变器中实现SiC器件的一个主要障碍是它们的高成本。然而，这一挑战可以通过利用混合器件来克服，混合器件将SiC和Si器件并联，以在轻载或中载条件下实现更高的效率，从而降低所需的SiC额定值和器件成本。

400A/1.2kV混合模块的基本结构包括一个SiC MOSFET (100A/1.2kV)和三个Si IGBT(100 a/1.2kv)。SiC和Si器件的并联允许在各种负载条件下高效工作，Si器件在低或中等负载条件下承担负载，而SiC器件承担高负载。

图1:“SiC+Si”400 a/1.2kv混合器件。

图2:“SiC MOSFET+Si IGBT”开关模式。

图2所示的混合SiC MOSFET-IGBT器件的开关模式旨在实现器件开关期间的准零电压开关(ZVS)。这是通过在导通期间早于IGBT导通SiC MOSFET，在关断期间晚于IGBT关断SiC MOSFET来实现的。导通和关断延迟经过精心选择，短于互补开关之间的死区时间，长于制造商数据手册中为每个器件规定的导通/关断时间。

但是，应该注意，在导通和关断延迟期间，整个负载电流流经SiC MOSFET，这可能会导致器件在重负载条件下的可靠性问题。因此，这种开关模式仅推荐用于轻载或中载条件。总体而言，仔细选择导通和关断延迟对于实现准ZVS和提高混合SiC MOSFET-IGBT器件的效率至关重要。尽管如此，在设计使用这些器件的电力电子系统时，也应考虑负载条件对器件可靠性的影响。

图3a:使用混合器件和Si IGBTs的DFIG功率变换器的效率比较。图3b:不同风速下“SiC+Si”混合设备和Si-IGBT之间的DFIG功率转换器效率比较。

图3a和3b中呈现的仿真结果证明了使用基于主要Si IGBTs和次要SiC MOSFET/JFET的混合器件来提高风力涡轮机功率转换器的效率的潜力。值得注意的是，随着开关频率的提高，使用混合器件的效率增益变得更加显著。这是因为SiC器件的开关损耗随开关频率成比例增加，而Si IGBTs的传导损耗随开关频率增加而降低。因此，更高的开关频率可以充分利用混合器件的优势。

此外，图3b中的效率比较结果表明，使用混合器件的DFIG转换器比基于Si的转换器具有更高的效率。这是由于SiC器件的传导损耗更低、开关速度更快，从而可以降低功率损耗并改善转换器的动态响应。总体而言，这些模拟结果表明，使用混合设备可以成为提高风力涡轮机功率转换器效率和性能的经济有效的方法，并有助于风力发电的更广泛采用。

可再生能源功率转换器中宽带隙器件的挑战

在可再生能源转换系统的功率转换器中使用WBG器件可以大大提高系统性能。然而，WBG设备的这种应用也带来了需要解决的实际挑战。

为了应对电磁干扰增加的挑战，人们提出了几种推荐的解决方案，包括屏蔽、滤波和布局优化。为了衰减功率转换器中的EMI信号，屏蔽可以封闭噪声源，滤波可以插入无源滤波器，布局优化可以通过缩短高频电路之间的距离和使用接地层来减少辐射。

由于dv/dt和di/dt较高，WBG器件面临可靠性挑战，但可以通过缓冲电路、增加栅极电阻和优化驱动方案来解决这些问题。缓冲器抑制过压和过流，而增加的栅极电阻会降低开关速度以减少应力。优化的驱动方案提高了开关性能，降低了dv/dt和di/dt应力。

WBG器件的成本阻碍了它们在可再生能源转换器中的应用，但使用Si和SiC器件的混合方法可以在不大幅提高成本的情况下提高效率。混合并联和co-pack模块可将开关损耗降低高达40%，从而实现更高的工作频率。用基于WBG的两电平拓扑结构取代基于硅的三电平NPC转换器可实现更高的效率，并降低复杂性和成本，使其成为可再生能源功率转换器的可行选择。

结论

该实验分析了在光伏和风力发电系统的功率转换器中使用SiC和GaN器件的性能优势。提出了一种低成本、高效率的混合器件，并针对可再生能源中使用的大额定功率转换器进行了仿真。仿真结果验证了这种混合器件的效率改进，与传统系统相比，它是大型光伏和风能系统的一种经济高效的解决方案。测试还讨论了与在可再生能源中使用WBG设备相关的挑战，包括增加的电磁干扰和高系统成本，并审查了潜在的解决方案。这些发现为未来的工业用户和相关领域的研究人员提供了有价值的见解。