倾佳电子单相户用储能逆变器中Heric拓扑的综合分析及其SiC MOSFET应用价值

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！

倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！

第1章：Heric拓扑的起源与工作原理

本章节旨在建立对Heric拓扑技术起源和核心工作机制的根本性理解，追溯其发展历史背景，并解构其电路运行模式。这部分内容将为后续的性能分析奠定坚实的理论基础。

1.1. 技术起源：解决漏电流难题

Heric拓扑的诞生与21世纪初光伏（PV）并网逆变器领域的技术变革密切相关。为了提升系统效率、降低制造成本并减小设备的体积与重量，行业内掀起了一股用无变压器方案替代传统工频或高频隔离变压器方案的浪潮。然而，这一变革在带来显著优势的同时，也引入了一个严峻的技术挑战：高频共模漏电流问题。

在无变压器逆变器系统中，光伏组件阵列与其金属支架及大地之间存在着不可避免的寄生电容，通常表示为CPV。当逆变器采用高频脉宽调制（PWM）工作时，直流母线侧的中点电位会相对于交流电网的地线产生高频波动。这种波动的共模电压通过C_{PV}形成一个电流通路，导致高频漏电流注入电网。该漏电流不仅会引发严重的电磁干扰（EMI）问题，影响电网质量和其他设备的正常运行，还可能触发系统的漏电保护继电器，导致逆变器频繁脱网，严重影响发电量和系统可靠性。

wKgZO2ju8YCATxlPAABlMo__FFE232.png

为了应对这一挑战，德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）提出了一种创新的电路拓扑结构，并将其命名为Heric（Highly Efficient and Reliable Inverter Concept，即高效高可靠性逆变器概念）。Heric拓扑的核心设计目标是在逆变器续流（即零电压矢量）期间，将直流侧（光伏阵列或储能电池）与交流电网侧完全解耦。通过这种方式，它能够有效钳位共模电压，抑制其高频波动，从而从根本上解决了漏电流问题。

1.2. 电路架构与工作模式分析

wKgZO2ju8Y2AAVMiAACk45zWkvo834.png

Heric拓扑的电路结构是在一个标准的单相全桥（H桥）逆变器基础上进行的巧妙扩展。标准的H桥由四个主功率开关（通常标记为Q1、Q2、Q3、Q4）构成。Heric拓扑在此基础上，增加了一个由两个额外开关（S5、S6）及其反并联二极管（D5、D6）组成的交流旁路续流支路。

为了深入理解其工作原理，我们将结合电路状态图，对其在不同工作阶段的运行模式进行详细分析：

电网正半周（功率输出状态）： 在此模式下，位于桥臂对角的开关管Q1和Q4协同进行高频PWM斩波，同时交流旁路开关S5保持常通状态。电流从直流源（如电池）流出，依次通过Q1、输出滤波器电感、并入交流电网，最后经由Q4返回直流源负端。此为主能量传输路径。

电网正半周（续流/零矢量状态）： 这是Heric拓扑实现其核心功能的关键阶段。当PWM信号进入关断周期时，主开关Q1和Q4同时关断。此时，电感中储存的能量需要一个续流路径。电流不再流回直流侧，而是通过交流旁路支路进行续流，具体路径为：经由S5和S6的反并联二极管D6。在这一瞬间，直流母线与交流电网之间被完全切断。这种解耦状态阻止了直流侧的高频电压波动传递到交流输出端，从而稳定了共模电位。

电网负半周（功率输出状态）： 在电网的负半周期，另一对对角开关管Q2和Q3承担高频PWM斩波任务，同时交流旁路开关S6保持常通。电流从直流源流出，依次通过Q3、输出滤波器电感、并入交流电网，最后经由Q2返回直流源负端。

电网负半周（续流/零矢量状态）： 类似于正半周的续流过程，当Q2和Q3关断时，电感电流通过交流旁路支路的另一半进行续流，路径为：经由S6和S5的反并联二极管D5。同样，直流母线在此期间与交流侧完全解耦。

Heric拓扑的精髓在于，它通过增加一个简单的硬件支路，并配合特定的PWM控制策略，实现了在续流阶段对直流侧的有效隔离。传统H桥若采用双极性PWM，虽然能稳定共模电压，但四个开关管均工作在高频状态，开关损耗巨大；若采用单极性PWM，虽然效率较高，但会引发严重的共模电压波动。Heric拓扑则巧妙地结合了两者的优点：在功率输出阶段，其工作模式类似于双极性调制，确保了能量的高效传输；而在续流阶段，它创造了一个低损耗的续流路径，同时实现了直流侧的电气隔离，从而在高效率和低漏电流之间取得了卓越的平衡。其名称中的“高效”源于续流期间主开关无开关损耗，而“高可靠”则直接指向其成功解决漏电流这一早期无变压器逆变器的核心痛点，这两大特性是其获得广泛商业应用并保持长久生命力的关键所在。

第2章：性能优势与拓扑横向基准比较

本章将量化分析Heric拓扑的核心性能优势，并将其置于主流单相逆变器拓扑的竞争格局中进行比较，为设计者提供关于其设计权衡的清晰视角。

2.1. 核心优势一：卓越的转换效率

Heric拓扑最显著的优势之一是其高转换效率，这主要源于对开关损耗的有效优化。

开关损耗的降低： 在传统的采用双极性调制的H桥逆变器中，四个开关管在每个PWM周期内都需进行高频开关动作，导致了巨大的开关损耗（导通损耗Eon + 关断损耗Eoff）。相比之下，Heric拓扑在续流期间，高频开关管（如Q1和Q4）处于关断状态，无需承担开关损耗。续流电流通过一个导通的开关（如S5）和一个续流二极管（如D6），这两个器件仅产生导通损耗。由于开关损耗通常是逆变器总损耗的主要部分，尤其是在高频工作条件下，这种续流方式极大地降低了每个周期的总开关损耗。特别是在轻载工况下，续流时间占比更长，Heric拓扑的效率优势更为明显。

导通损耗分析： 尽管Heric拓扑额外增加了两个开关器件（S5、S6），但在续流路径中，电流仅流经一个开关和一个二极管。其总导通损耗与其他高效拓扑相比具有竞争力，并且相对于开关损耗的大幅降低而言，这是一个非常值得的权衡。

2.2. 核心优势二：优异的共模漏电流抑制能力

如前所述，抑制漏电流是Heric拓扑设计的初衷，也是其核心竞争力。

共模电压分析： 通过对电路的共模电压Vcm=(VAN+VBN)/2进行分析可以发现，在传统单极性调制的H桥中，V_{cm}会在直流母线电压和零之间高频跳变。而在Heric拓扑中，由于在续流（零矢量）状态下直流侧与交流侧完全解耦，交流输出端的电位与直流母线无关。这使得在整个PWM周期内，共模电压V_{cm}能够保持相对恒定，消除了高频波动。正是这种稳定的共模电位，阻止了通过寄生电容C_{PV}产生漏电流的驱动源，从而实现了对漏电流的有效抑制。

2.3. 拓扑横向基准比较

wKgZPGju8lqAKnU6AADBbKU6y5I635.png

为了更全面地评估Heric拓扑，有必要将其与几种主流的单相逆变器拓扑进行比较：

H桥（单极性PWM）： 这种拓扑结构简单，效率较高，但由于其工作原理导致严重的共模电压波动，漏电流性能差，通常需要复杂的滤波或控制策略来缓解。

H5拓扑： 作为Heric拓扑的有力竞争者，H5在直流母线侧增加了一个开关以实现解耦。与Heric相比，H5的器件应力和控制复杂度略有不同，两者在性能上非常接近，但Heric的专利布局和应用更为广泛。

图腾柱无桥PFC/逆变器： 这是一种效率极高的拓扑，尤其在与宽禁带（WBG）半导体器件结合时。它由一个高频桥臂和一个工频桥臂组成，减少了主电流路径上的导通器件数量。然而，传统上用于PFC的图腾柱拓扑在作为双向逆变器使用时，工频桥臂的硬开关特性以及硅基MOSFET体二极管的反向恢复问题曾是其应用瓶颈。

下表对这些拓扑进行了多维度对比，为系统设计者提供决策依据。

表1：单相逆变器拓扑性能对比分析

拓扑类型	器件数量 (开关管/二极管)	理论峰值效率	漏电流性能	控制复杂度	对SiC器件的适应性
H桥 (双极性)	4 / 0	中	优	低	中
H桥 (单极性)	4 / 0	高	差	中	中
H5	5 / 0	很高	优	中高	高
Heric	6 / 0	很高	优	中高	高
图腾柱	4 / 0	极高	中	高	极高

拓扑的选择本质上是器件成本、控制复杂性与性能指标（效率、漏电流）之间的系统级权衡。Heric拓扑在这些方面提供了一个被业界广泛认可的平衡点：它以相比基础H桥适度增加的复杂度和成本，换取了卓越的综合性能，这解释了其在市场上的巨大成功。然而，技术的演进正在重塑这一格局。碳化硅（SiC）等宽禁带半导体的崛起，极大地提升了所有拓扑的性能上限，同时也改变了它们之间的相对优劣。例如，图腾柱拓扑因SiC MOSFET近乎完美的体二极管特性（极低的反向恢复电荷Qrr）而克服了其历史瓶颈，一跃成为顶级效率的竞争者。因此，尽管SiC技术增强了Heric拓扑的性能，但它也使其竞争对手变得更加强大。在当前的技术背景下，Heric拓扑应被视为一个成熟、强大且可靠的选项，而非唯一的终极方案。

第3章：共生关系：SiC MOSFET在Heric逆变器中的应用

本章是报告的核心，将利用所提供的器件数据，深入论证碳化硅（SiC）MOSFET如何以及在多大程度上提升了Heric逆变器的性能，从而建立起从器件物理特性到系统级性能指标之间的桥梁。

3.1. 碳化硅的材料优势

碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，其卓越的物理特性是其性能优势的根源。相较于传统的硅（Si）材料，SiC拥有更宽的禁带宽度（约3.26 eV），更高的临界击穿场强（约3 MV/cm），以及更高的热导率（约4.9 W/cm·K）。这些特性共同决定了SiC功率器件的优越性：

更低的导通电阻： 更高的临界场强允许器件在承受相同电压时使用更薄的漂移层，从而显著降低了单位面积导通电阻（Ron,sp）。

更高的开关速度： 更低的寄生电容和优异的载流子迁移率使得器件能够以更高的频率进行开关，同时保持较低的开关损耗。

更优的耐高温性能： 更宽的禁带宽度和高热导率使得SiC器件能在更高的结温下可靠工作，简化了散热系统设计。

为了直观地展示SiC技术带来的革命性进步，下表对比了一款650V SiC MOSFET与典型硅基超结MOSFET的关键性能参数。

表2：650V SiC MOSFET与典型Si超结MOSFET性能参数对比

参数	SiC MOSFET (B3M040065Z)	典型Si超结MOSFET	单位	性能影响
导通电阻 RDS(on) @ 25°C	40	~40	mΩ	导通损耗相当
导通电阻 RDS(on) @ 175°C	55	~90	mΩ	SiC高温下导通损耗优势明显
总栅极电荷 QG	60	~80	nC	SiC驱动损耗更低
导通能量 Eon (400V/20A)	144	~400	µJ	SiC开关损耗显著降低
关断能量 Eoff (400V/20A)	42	~150	µJ	SiC开关损耗显著降低
反向恢复电荷 Qrr	0.16	> 1	µC	SiC体二极管性能近乎理想
体二极管正向压降 VSD	4.0	~0.9	V	Si体二极管导通损耗更低，但$Q_{rr}$是致命弱点

wKgZO2ixr9KAB_fEAAtEeYZcyJI764.png

wKgZPGixr72AD4gAABEzy41TdGw074.png

wKgZPGixr76AclXZABc74ZEXKeQ706.png

3.2. SiC MOSFET带来的性能量化增益

将SiC MOSFET应用于Heric拓扑，可以从以下几个方面实现系统性能的飞跃。

3.2.1. 开关损耗的急剧降低与功率密度的提升

SiC MOSFET最核心的优势在于其极低的开关损耗。根据双脉冲测试数据，基本半导体的B3M040065Z在400V/20A的测试条件下，25°C时的总开关损耗（Etotal=Eon+Eoff）仅为186 µJ，在125°C高温下更是降低至166 µJ 。这一数值远低于同规格硅基器件，通常仅为其1/3至1/5。

这种低开关损耗的特性是提升逆变器PWM开关频率的直接使能因素。传统采用硅基IGBT的户用储能逆变器，其开关频率通常被限制在16-20 kHz以控制开关损耗和散热。而采用SiC MOSFET后，开关频率可以轻松提升至60-100 kHz甚至更高。例如，在一项针对无桥PFC拓扑的应用仿真中，开关频率被设定为65 kHz 。

开关频率的提升带来了系统级的连锁优势。根据电磁学原理，磁性元件（如滤波器电感）的尺寸与开关频率成反比。因此，更高的开关频率允许使用体积更小、重量更轻、成本更低的电感和电容等无源器件。这直接转化为更高的功率密度（即在更小的体积和重量内实现更大的功率输出），并有助于降低整体物料清单（BOM）成本，这在竞争激烈的户用储能市场中至关重要。

wKgZPGjPsFyAWfNBADBOZydP7z4946.png

wKgZO2jPsFuAPwYAACI8XAqpM2A640.png

wKgZO2jPsF6AWd0uAEXjgMSA1gI941.png

3.2.2. 更低的导通损耗与卓越的热性能

SiC MOSFET具有极低的导通电阻。以B3M040065Z为例，其在25°C时的典型$R_{DS(on)}为40mΩ[1]。更重要的是，SiCMOSFET的导通电阻随温度上升的增幅远小于硅器件。在175°C时，其R_{DS(on)}仅上升至55 mΩ，相比之下，硅器件的导通电阻在高温下可能会翻倍。这意味着在实际工作的高温环境下，SiC的导通损耗（Pcond=Irms2×RDS(on)）优势更加突出。

更低的损耗意味着更少的发热。结合SiC材料本身优异的导热性和器件封装的低热阻设计（例如B3M040065Z的结-壳热阻$R_{th(j-c)}$仅为0.6 K/W ），使得器件产生的热量能够被高效地导出。这使得器件在给定负载下工作温度更低，或者在给定温度下能够承载更高的电流。应用仿真结果也验证了这一点，在3.6 kW的满载工况下，采用B3M040065Z的系统最高结温预计仅为113°C左右，这为系统的长期可靠性提供了坚实保障，并允许设计更小型的散热器，进一步提升功率密度。

3.2.3. 理想的体二极管性能

在Heric拓扑中，续流路径依赖于二极管的导通。传统硅基MOSFET的体二极管存在严重的反向恢复问题，即在二极管从正向导通转向反向截止时，会有一个短暂的反向电流尖峰，并储存大量的反向恢复电荷Qrr。这个过程不仅会产生巨大的开关损耗，还会引起严重的电压过冲和电磁干扰。

SiC MOSFET的体二极管则表现出近乎理想的特性。双脉冲测试数据显示，B3M040065Z的体二极管在400V/20A工况下的$Q_{rr}仅为0.16µC，反向恢复峰值电流I_{RRpeak}也只有−8.74A[1]。其反向恢复波形干净利落，几乎没有拖尾电流[1]。在Heric拓扑中，这一优势对于交流旁路支路中的续流二极管（D5、D6）以及工频桥臂开关管（如Q2、Q4）的体二极管至关重要。近乎为零的Q_{rr}$消除了一个主要的损耗源和EMI源，降低了器件上的电压应力，从而提升了系统的整体效率和可靠性。

3.2.4. 系统集成：栅极驱动的关键作用

SiC MOSFET极快的开关速度（高dv/dt和di/dt）是一把双刃剑。在桥式电路中，当一个开关管（如下管Q2）保持关断，而其对管（上管Q1）快速开通时，桥臂中点电压的急剧上升（高dv/dt）会通过下管的栅漏寄生电容$C_{gd}$产生一个米勒电流$I_{gd} = C_{gd} \times (dv/dt)$。该电流会流过关断栅极回路电阻Rgoff，在栅源两端产生一个正向电压尖峰。如果这个电压尖峰超过了器件的开启阈值电压VGS(th)，就会导致下管被错误地寄生导通，形成上下管直通的灾难性故障。

由于SiC MOSFET的V_{GS(th)}较低（通常在2-3V），且开关速度极快，因此米勒效应尤为严重。为解决此问题，必须采用先进的栅极驱动策略。主要措施包括：

使用负压关断： 在关断时为栅极提供一个负偏压（如-4V），可以增加抵抗米勒电压尖峰的裕量。

采用米勒钳位（Miller Clamp）： 这是最有效的手段。通过在栅极驱动器中集成一个低阻抗的钳位开关，当栅极电压下降到安全阈值（如2V）以下时，该开关闭合，将栅极直接短路到负电源轨。这为米勒电流提供了一个极低阻抗的泄放路径，有效钳制了栅极电压的抬升。

测试波形清晰地证明了米勒钳位的重要性。在没有钳位功能时，关断管的栅极电压被抬升至7.3V，远超其开启阈值，极易导致误导通。而在启用米勒钳位后，该电压尖峰被完美地钳制在2V以下，彻底消除了风险。像基本半导体的BTD5350MCWR等现代栅极驱动芯片已经集成了米勒钳位功能，为SiC MOSFET的安全可靠应用提供了完整的解决方案。

wKgZO2i06xCAPLa_AAhj4XnakME202.png

wKgZO2i06xGAKS47AAhmNwKWEK8654.png

第4章：技术发展轨迹与未来展望

本章将综合前述分析，展望Heric拓扑及其核心功率器件技术的发展趋势，为读者提供一个前瞻性的行业视角。

4.1. 逆变器拓扑的演进格局

Heric拓扑凭借其在效率、漏电流抑制和成熟度方面的卓越平衡，在可预见的未来仍将是单相户用储能逆变器领域的主流选择之一。它是一个经过市场长期验证、性能稳健、设计生态完善的解决方案。

与此同时，由SiC技术赋能的新兴拓扑正在对其主导地位发起挑战。特别是图腾柱拓扑，凭借其更简洁的主功率回路（减少了串联导通器件）和SiC MOSFET优异的体二极管特性，在特定工作点下有望实现更高的峰值效率。未来的市场格局很可能是Heric与图腾柱等高效拓扑并存的局面。设计者将根据具体的应用需求（如双向/单向功率流、成本目标、功率等级、动态响应要求等）进行权衡选择。Heric拓扑的优势在于其对双向功率流的天然适应性和成熟的控制方案，这在储能应用中尤为重要。

4.2. SiC器件技术的持续迭代

SiC MOSFET技术正处于高速发展阶段，其性能仍在不断提升，成本也在持续下降。

代际性能提升： 半导体制造商正通过优化芯片设计和制造工艺，不断推出性能更优的新一代产品。以基本半导体为例，其第三代（G3）SiC MOSFET相比第二代（G2），在品质因数（FOM, RDS(on)×QG）上降低了约5%，这意味着在相同的导通电阻下，开关损耗更低，更适合高频应用。此外，新一代产品在参数一致性（如$V_{GS(th)}$和$R_{DS(on)}$）方面也表现更佳，简化了器件的并联应用设计。

wKgZO2jPsc-AEdF5AC1uR0BnPZM537.png

wKgZPGjPsdKAaKxxAGIbwVbmZ5k003.png

可靠性的成熟化： 随着技术的成熟，SiC器件的可靠性已成为行业关注的焦点。领先的制造商正在通过严苛的可靠性测试来验证其产品的长期稳定性。例如，通过远超行业标准的加严可靠性测试，如2500小时的高温反偏（HTRB）和高压高湿高温反偏（HV-H3TRB）测试，以及评估栅氧层寿命的经时击穿（TDDB）测试，证明了SiC MOSFET能够在充电桩、光伏逆变器等要求严苛的应用场景下长期可靠运行。这些数据极大地增强了市场对SiC技术的信心，为其在储能等关键基础设施领域的普及扫清了障碍。

4.3. 综合展望：高性能户用逆变器的未来

wKgZO2izZ52AXhbCAAWqrhkuEMQ018.png

wKgZO2ixr72AFC0AAAgKsqXYEk0569.png

wKgZO2izZ5-AWfgoAAftGrzlebE922.png

wKgZPGizZ6OATf2QAA8TJn5joYA115.png

wKgZPGjIttyAREIWABklZN5v8-0115.png

wKgZO2jHhMyAKnAJAD6jBJ39_Ns005.png

wKgZO2i6CPaAPBQEACVVeotjATY664.png

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。
需求SiC碳化硅MOSFET单管及功率模块，配套驱动板及驱动IC，请搜索倾佳电子杨茜

Heric等先进拓扑与高性能SiC MOSFET的深度融合，正在催生新一代的户用储能逆变器。这些新产品将具备以下核心特征：

更高效率： 全负载范围内的效率得到提升，尤其是在中低负载下的效率表现更为出色，最大限度地减少了能量在转换过程中的浪费。

更高功率密度： 得益于开关频率的提升和散热需求的降低，逆变器的体积和重量将大幅减小，不仅降低了物料和运输成本，也简化了安装过程。

更高可靠性： 更低的工作结温、优化的电气应力以及经过充分验证的器件可靠性，共同确保了逆变器系统拥有更长的使用寿命和更低的故障率，从而降低了全生命周期成本。

展望未来，这一坚实的技术基础将为户用储能系统承载更多高级功能提供可能。例如，实现车辆到户（V2H）和车辆到电网（V2G）的双向能量互动，要求逆变器在充放电两个方向都具备极高的效率和快速的动态响应能力。Heric拓扑与SiC MOSFET的结合，正是实现这些未来能源场景的关键技术支柱。

倾佳电子单相户用储能逆变器中Heric拓扑的综合分析及其SiC MOSFET应用价值 置顶 精 活动

倾佳电子单相户用储能逆变器中Heric拓扑的综合分析及其SiC MOSFET应用价值

置顶

精

活动