隨著能源的日益緊缺，清潔能源的開發(fā)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(fā)電已經(jīng)成為了世界各國政府和能源專家的關(guān)注重點。光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)需要以逆變器為接口設(shè)備，因此光伏逆變器作為現(xiàn)今研究熱點之一，實現(xiàn)其高效、高功率密度和高可靠的性能指標是保障光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵要素。

目前已有大量文獻對光伏逆變器的拓撲、控制技術(shù)、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(shù)研究在目前都已經(jīng)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(guān)器件上的改進和創(chuàng)新是必然的發(fā)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(wǎng)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(xiàn)今最受關(guān)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(guān)速度，使其對寄生參數(shù)非常敏感，導致其在開關(guān)過程中出現(xiàn)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(guān)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(zhàn)。

為了研究和分析開關(guān)振蕩對光伏逆變器的影響以及為減振器和阻尼電路的設(shè)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(shù)只關(guān)注其本身的振蕩問題，無法將器件特性的影響體現(xiàn)在光伏逆變器系統(tǒng)的復(fù)雜拓撲中，而SiC MOSFET開關(guān)振蕩的問題對逆變器造成的影響不可忽略，因此會出現(xiàn)仿真與實驗結(jié)果不符的情況。這是由于在提高了開關(guān)頻率后，開關(guān)振蕩在整個開關(guān)周期內(nèi)的占比增大，從而影響逆變器并網(wǎng)電流波形質(zhì)量。

本文提出一種基于Saber環(huán)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(chǎn)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(chǔ)，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(tài)特性模型和非線性電容模型。

基于不同工作區(qū)域的情況，推導了靜態(tài)特性參數(shù)的數(shù)學方程。MOSFET各極間非線性電容對開關(guān)暫態(tài)過程的特性影響較大，開關(guān)過程中的振蕩問題也是本文關(guān)注重點。因此，為滿足電路仿真的需求，本文搭建了準確的數(shù)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(wǎng)逆變器實驗平臺，通過對比不同開關(guān)頻率下仿真和實驗的開關(guān)振蕩波形，對SiC光伏并網(wǎng)逆變器在不同開關(guān)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(xù)SiC MOSFET在光伏逆變器中應(yīng)用提供了理論指導。

圖16 SiC單相并網(wǎng)逆變器實驗平臺

結(jié)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(chǔ)上提出了一種基于Saber仿真環(huán)境下的模型，該模型包含了器件的各項寄生元件及參數(shù)，對SiC MOSFET的靜態(tài)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(wǎng)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(jié)果表明，該模型可準確地模擬出SiC MOSFET在開關(guān)過程中出現(xiàn)的電壓振蕩問題，并反映出開關(guān)振蕩對并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量的影響。在后續(xù)SiC光伏逆變器的研究中，該模型也可為開關(guān)振蕩的阻尼電路和逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)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(jié)出以下兩點SiC MOSFET在光伏并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用中可能面臨的問題：

1）在沒有針對性的阻尼SiC MOSFET開關(guān)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(xiàn)串擾，嚴重時可能出現(xiàn)橋臂直通的現(xiàn)象，影響逆變器的正常工作。

2）本文選用的1.2kV SiC MOSFET在開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓振蕩的持續(xù)時間約為6◆s，因此在逆變器開關(guān)頻率較低的情況下，振蕩過程在整個開關(guān)周期的占比小；當開關(guān)頻率提高后，逆變器橋臂上下兩端電壓在整個開關(guān)周期均處于振蕩狀態(tài)，導致高頻下的逆變器并網(wǎng)電流諧波相較于低頻時反而更大，不能發(fā)揮出SiC MOSFET高頻化的優(yōu)勢，嚴重影響逆變器的性能。