学术简报︱SiC MOSFET的Saber建模及其在光伏并网逆变器中的应用和分析
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员周林、李寒江、解宝、李海啸、聂莉，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文指出，SiC MOSFET高频、高效、高功率密度的特性符合光伏逆变器的发展趋势，但随之而来的开关振荡问题亟待解决。开关频率提升后，由于开关振荡的存在，可能导致高频下的并网电流波形质量下降，因此需要建立精准的模型来为SiC MOSFET在光伏逆变器中的应用提供指导。
目前的SiC MOSFET模型大多基于Pspice的仿真环境建立的，不能用于包含复杂的电路拓扑和控制算法的仿真研究。基于Saber环境提出一种可以将SiC MOSFET与光伏逆变器结合的模型，通过双脉冲实验得出SiC MOSFET的器件特性，对SiC MOSFET的静态特性和非线性电容进行建模。
最后将模型运用到光伏并网逆变器中，将仿真结果与搭建的光伏并网逆变器实验平台实测结果进行对比，并对SiC光伏并网逆变器在不同开关频率情况下的性能进行分析和研究，验证了模型的准确性和适用性。
随着能源的日益紧缺，清洁能源的开发和利用已成为了当今时代的迫切需要。近年来，光伏电池组件和逆变器的成本不断降低，光伏发电已经成为了世界各国政府和能源专家的关注重点。光伏发电系统与电网需要以逆变器为接口设备，因此光伏逆变器作为现今研究热点之一，实现其高效、高功率密度和高可靠的性能指标是保障光伏发电系统经济、稳定运行的关键要素。
目前已有大量文献对光伏逆变器的拓扑、控制技术、孤岛检测、锁相同步等进行了研究。光伏逆变器各个层面上的技术研究在目前都已经达到相当成熟的地步。为了进一步降低逆变器的成本和提升逆变器的性能，对于开关器件上的改进和创新是必然的发展趋势。以硅（Si）作为主要材料的功率半导体器件在大型光伏电站并网逆变器中使用广泛，但由于受到自身材料的限制，Si器件的性能已接近极限。
近年来，SiC等宽禁带的功率半导体器件因其可在高压、高温、高频的情况下工作的特性，越来越多地走进了人们的视野，其中SiC MOSFET是现今最受关注的宽禁带功率半导体器件，已有很多文献对高频的SiC MOSFET功率变换器进行了研究。
然而，正是由于SiC MOSFET极快的开关速度，使其对寄生参数非常敏感，导致其在开关过程中出现明显的电压和电流振荡，强烈的电压和电流过冲可能会危及器件的安全，使功率损耗增加，在运用于光伏逆变器中，还可能会影响逆变器的性能。开关振荡问题是SiC MOSEFT成为主流功率半导体器件道路上遇到的一大挑战。
为了研究和分析开关振荡对光伏逆变器的影响以及为减振器和阻尼电路的设计提供指导，需要建立精准的SiC MOSFET模型。目前针对SiC MOSFET的建模多数只关注其本身的振荡问题，无法将器件特性的影响体现在光伏逆变器系统的复杂拓扑中，而SiC MOSFET开关振荡的问题对逆变器造成的影响不可忽略，因此会出现仿真与实验结果不符的情况。这是由于在提高了开关频率后，开关振荡在整个开关周期内的占比增大，从而影响逆变器并网电流波形质量。
本文提出一种基于Saber环境下的SiC MOSFET模型，建模过程中考虑了MOSFET的各寄生元件。首先，本文选用了Cree公司生产的CCS050M12SM2型号的1.2kV SiC MOSFET作为研究对象，通过双脉冲实验得出了SiC MOSFET器件的各项特性曲线，为建立SiC MOSFET模型奠定基础，为验证分析模型的可靠性提供了参考。然后，本文建立了SiC MOSFET的静态特性模型和非线性电容模型。
基于不同工作区域的情况，推导了静态特性参数的数学方程。MOSFET各极间非线性电容对开关暂态过程的特性影响较大，开关过程中的振荡问题也是本文关注重点。因此，为满足电路仿真的需求，本文搭建了准确的数学模型用以描述各个电容的特性，并与普通方式搭建的模型进行对比分析。
最后，本文搭建了SiC单相并网逆变器实验平台，通过对比不同开关频率下仿真和实验的开关振荡波形，对SiC光伏并网逆变器在不同开关频率情况下的性能进行研究和分析，验证了模型的正确性和适用性，为后续SiC MOSFET在光伏逆变器中应用提供了理论指导。
图16 SiC单相并网逆变器实验平台
本文以1.2kV SiC MOSFET为研究对象，通过双脉冲实验获取SiC MOSFET器件的各项特性曲线，在此基础上提出了一种基于Saber仿真环境下的模型，该模型包含了器件的各项寄生元件及参数，对SiC MOSFET的静态特性和非线性电容特性还原度较高。本文提出的模型可以运用于SiC光伏并网逆变器的仿真研究中，分析逆变器的效果及性能。
仿真和实验结果表明，该模型可准确地模拟出SiC MOSFET在开关过程中出现的电压振荡问题，并反映出开关振荡对并网逆变器电能质量的影响。在后续SiC光伏逆变器的研究中，该模型也可为开关振荡的阻尼电路和逆变器控制系统的设计提供理论指导和验证工具。基于本文提出的模型和实验分析，可总结出以下两点SiC MOSFET在光伏并网逆变器的应用中可能面临的问题：
1）在没有针对性的阻尼SiC MOSFET开关电压振荡的情况下，电压振荡的波峰和波谷差值较大，同时振荡频率非常高，在此过程中SiC MOSFET漏源极两端的du/dt较大。因此，电压振荡问题也会导致逆变器出现串扰，严重时可能出现桥臂直通的现象，影响逆变器的正常工作。
2）本文选用的1.2kV SiC MOSFET在开关过程中产生电压振荡的持续时间约为6s，因此在逆变器开关频率较低的情况下，振荡过程在整个开关周期的占比小；当开关频率提高后，逆变器桥臂上下两端电压在整个开关周期均处于振荡状态，导致高频下的逆变器并网电流谐波相较于低频时反而更大，不能发挥出SiC MOSFET高频化的优势，严重影响逆变器的性能。