碳化硅如何最大限度提高可再生能源系統(tǒng)的效率

全球范圍內(nèi)正在經(jīng)歷一場(chǎng)能源革命。根據(jù)國(guó)際能源署的報(bào)告，到 2026 年，可再生能源將占全球能源增長(zhǎng)量的大約 95%。太陽(yáng)能將占到這 95% 中的一半以上。

如今，在遠(yuǎn)大的清潔能源目標(biāo)和政府政策的驅(qū)動(dòng)下，太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車 (EV) 基礎(chǔ)設(shè)施和儲(chǔ)能領(lǐng)域不斷加快采用可再生能源?？稍偕茉吹闹饾u普及也為在工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng)用中部署功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了更多機(jī)會(huì)。采用碳化硅 (SiC) 等寬帶隙器件，可幫助設(shè)計(jì)人員平衡四大性能指標(biāo)：效率、密度、成本和可靠性。

SiC 相比傳統(tǒng)基于 IGBT 的電源應(yīng)用在可再生能源系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

SiC 電源開(kāi)關(guān)和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 是可再生能源系統(tǒng)等高功率應(yīng)用的常用電源開(kāi)關(guān)。圖 1 展示了 SiC 電源開(kāi)關(guān)和 IGBT 的典型開(kāi)關(guān)頻率和功率級(jí)別。兩者均可適用于 1kW 及以上的功率級(jí)別。

圖 1：電源開(kāi)關(guān)的典型工作范圍

SiC 電源開(kāi)關(guān)與 IGBT 等傳統(tǒng)硅電源開(kāi)關(guān)相比，在高功率可再生能源應(yīng)用中具有諸多性能優(yōu)勢(shì)。

第一個(gè)性能優(yōu)勢(shì)是相對(duì)于 IGBT 具有更低的電阻和電容，可降低功率損耗并有助于提升效率。SiC 電源開(kāi)關(guān)可支持遠(yuǎn)高于 IGBT 的開(kāi)關(guān)速度，從而幫助降低開(kāi)關(guān)損耗并提升功率轉(zhuǎn)換效率。這意味著更高的能源產(chǎn)量，最大限度提升功率轉(zhuǎn)換器的輸出，在光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)或直流快充電源模塊等可再生能源系統(tǒng)中至關(guān)重要。

很多可再生能源應(yīng)用的運(yùn)行面積較小，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，推動(dòng)設(shè)計(jì)人員不斷探尋縮減印刷電路板尺寸和最大程度進(jìn)行散熱的方法。SiC 比 IGBT 的工作溫度高，使得 SiC 電源開(kāi)關(guān)具有更高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)更為緊湊的電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

使用柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) SiC

基于 SiC 電源開(kāi)關(guān)的特性，驅(qū)動(dòng) SiC 電源開(kāi)關(guān)需要特殊考量。柵極驅(qū)動(dòng)器選擇會(huì)對(duì) SiC 在應(yīng)用中的性能產(chǎn)生合理范圍內(nèi)的影響。

SiC 電源開(kāi)關(guān)需要能夠處理高電壓和額定電流的柵極驅(qū)動(dòng)器。柵極驅(qū)動(dòng)器必須提供足夠的柵極電荷來(lái)切換 SiC 電源開(kāi)關(guān)并防止產(chǎn)生電壓尖峰。

與 IGBT 相比，SiC 電源開(kāi)關(guān)更容易受到短路的影響，導(dǎo)致電力電子系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞。通常，IGBT 的短路耐受時(shí)間大約為 10μs，而 SiC 的短路耐受時(shí)間大約為 2μs。鑒于此，使用 SiC 電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要考慮添加提供去飽和或過(guò)流保護(hù)等特性的保護(hù)元件。部分柵極驅(qū)動(dòng)器，如 UCC21710 柵極驅(qū)動(dòng)器，具有內(nèi)置的短路保護(hù)特性，可檢測(cè)并響應(yīng)短路事件。如需了解有關(guān)用于 SiC FET 的短路保護(hù)方法的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用手冊(cè)“了解用于 SiC MOSFET 的短路保護(hù)方法”。

盡管 SiC 電源開(kāi)關(guān)可在較高溫度環(huán)境中運(yùn)行，但監(jiān)控 SiC 電源開(kāi)關(guān)的熱性能并防止過(guò)熱仍然非常重要。除了內(nèi)置的短路保護(hù)特性，UCC21710 還具有用于監(jiān)控的集成傳感器，無(wú)需部署分立式溫度傳感器。

結(jié)語(yǔ)

要充分利用可再生能源系統(tǒng)的電源輸出，必須最大限度提高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本、尺寸和可靠性的平衡。SiC 電源開(kāi)關(guān)在高功率應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)，是太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車充電的理想選擇。為最大程度地提升 SiC 對(duì)這些應(yīng)用的影響力，TI 提供了針對(duì) SiC 電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，這些柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品具有多個(gè)功率級(jí)別以及不同程度的集成保護(hù)，可幫助簡(jiǎn)化 SiC 電源設(shè)計(jì)。