在PV系统的住宅应用中，最常见的系统设置包括以下组件：PV面板、还提供MPPT功能的预调节器(DC-DC转换器)、交错升压变换器(IBC)和电压源逆变器(VSI)，以保证输出电流质量。与标准Boost变换器相比，IBC通过强制两个开关单元之间进行180°相移操作来消除纹波。然而，由于来自面板的高输入电压，该系统在高压硅二极管(DB)中存在着较高的反向恢复损耗，而在开关(SB)中则有较高的换向损耗。本文提出在IBC中使用碳化硅(SiC)二极管可以消除SiC二极管零反向回收带来的损失。

图一。采用两相IBC与传统控制器的两级光伏逆变器拓扑

两种类型的IBC之间进行比较研究：一个使用SiC二极管（简称为Si/SiC系统）和其他使用Si二极管（简称为Si/Si系统）。该研究解决了以下问题：1）两个二极管与CoolMOS器件的静态和开关特性；2）在整个工作范围内的系统的效率；和3）系统的功率密度。

本研究以测量板、主电源板、栅极驱动电路、CoolMOS器件和电感为例，构建了一个2.5kW的硬件系统，该系统适用于Si/Si和Si/SiC系统。主要区别在于二极管的类型、元件的布置和冷却系统的设计。设计了由散热器和风扇阵列组成的冷却系统，使CoolMOS的结温保持在75°C，使Si/Si和Si/SiC系统的导通损耗降到最低。同样，实验期间的环境温度保持在50°C。IBC的其他参数见表一。

表I.单相光伏逆变器预调节器（IBC）的典型规格

酷操作系统IPW90R120C3 被英飞凌选为有源开关。该器件被选中，因为其足够高的击穿电压，低通态电阻在低温下，从而最大限度地减少导通损耗，和高开关率（di/dt和dv/dt），从而最大限度地减少开关损耗。使用的两个二极管是意法半导体的硅超快二极管STTH1210D和SiC肖特基二极管C2D20120D由Cree。

图二。优化的IBC设置                

一、半导体特性及冷却系统评估

静态和动态特性进行的Si二极管和SiC二极管，以确定其损失。静态特性用于确定器件的传导损耗。当CoolMOS保持在75°C时，发现Si二极管具有负的温度系数，而SiC二极管具有正的温度系数。这样，在较高电流应用中（＞2A），当器件被加热时，Si二极管的导通损耗减小，而SiC二极管的导通损耗升高。

对两个二极管在400 V下的动态特性进行了表征，确定了它们的开关特性和损耗。经过测试，发现二极管的类型不影响CoolMOS器件的关断性能。然而，CoolMOS的开启性能明显不同，这取决于二极管的反向恢复行为。反向恢复电流增加了硅二极管的开关损耗，并在CoolMOS器件的漏电流上反映了这些特性，这称为“换向损耗”。

SiC二极管在类似条件下表现出非常小的反向恢复电流。因此，通过动态特性，显着的反向恢复损耗和开关损耗减少观察到在SiC二极管相比，Si二极管。损失细目见表二。很明显，SiC二极管具有显着的开关损耗降低。这意味着在SiC基系统中的最佳开关频率可能更大。

表二。中型散货箱半导体在临界状态下的损耗击穿

图3开关频率变化时中型散货箱的损耗

图图3示出了使用所研究的两个不同二极管和工作开关频率作为运行参数的IBC的计算系统损耗。通过最佳电感设计过程中，硅和碳化硅二极管的最佳开关频率被发现是10 kHz和11kHz，分别。然而，最小开关频率为16kHz的设置，以避免产生噪声。因此，电感器在两种情况下也是相同的。

每个中型散货箱的冷却系统的设计是为了将CoolMOS的结温保持在75°C，环境温度保持在50°C。使用不同的风扇阵列来保持环境温度。散热片使用相同的材料，但具有不同的长度和翅片高度，以保持类似的操作参数。结果，与Si/Si系统相比，Si/SiC系统的尺寸减小了60％。

二、实验验证及结果

为了确定Si/SiC系统与Si/Si系统的区别，作者对光伏逆变器进行了效率表征研究，包括MPPT效率和静态转换效率。由于半导体的动态响应远高于MPPT的控制带宽，使用Si或SiC二极管都不会影响MPPT的效率。

为了表征静态效率，PV模拟器和直流电子负载连接到被测试的IBC。IBC的占空比是使用开环控制器手动分配的。使用功率分析仪测量欧洲效率和CEC效率。

测试的结果如下：

1. Si二极管的结温比SiC二极管高17°C。这是因为在Si/Si系统中，Si二极管具有较高的开关损耗和散热器具有较低的热阻。

2. 中的CoolMOS器件的结温Si/Si体系比Si/SiC体系略高。

3. 由于减少了半导体损耗和电感器芯损耗，这两种系统在高电压和高功率操作时都表现出更高的效率。然而，效率恶化，在低功率和低电压操作。

4. 在欧洲效率和CEC效率方面，Si/SiC系统比Si/Si系统好0.4-0.8%。

图4所示。中型散货箱的效率：（a）欧洲和（b）CEC

表三显示，Si/SiC系统优于Si/Si系统的效率，体积和重量。的Si/SiC系统提供了一个显着更高的效率和更高的功率密度，通过只有一对一的二极管更换和系统优化。

表三。Si/硅与硅/碳化硅系统。