能效管理

碳化硅如何最大限度提高可再生能源系统的效率

2025China.cn   2023年07月06日

全球范围内正在经历一场能源革命。根据国际能源署的报告,到 2026 年,可再生能源将占全球能源增长量的大约 95%。太阳能将占到这 95% 中的一半以上。

如今,在远大的清洁能源目标和政府政策的驱动下,太阳能、电动汽车 (EV) 基础设施和储能领域不断加快采用可再生能源。可再生能源的逐渐普及也为在工业、商业和住宅应用中部署功率转换系统提供了更多机会。采用碳化硅 (SiC) 等宽带隙器件,可帮助设计人员平衡四大性能指标:效率、密度、成本和可靠性。

SiC 相比传统基于 IGBT 的电源应用在可再生能源系统中的优势

SiC 电源开关和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 是可再生能源系统等高功率应用的常用电源开关。图 1 展示了 SiC 电源开关和 IGBT 的典型开关频率和功率级别。两者均可适用于 1kW 及以上的功率级别。

图1:电源开关的典型工作范围

SiC 电源开关与 IGBT 等传统硅电源开关相比,在高功率可再生能源应用中具有诸多性能优势。

第一个性能优势是相对于 IGBT 具有更低的电阻和电容,可降低功率损耗并有助于提升效率。SiC 电源开关可支持远高于 IGBT 的开关速度,从而帮助降低开关损耗并提升功率转换效率。这意味着更高的能源产量,最大限度提升功率转换器的输出,在光伏逆变器、储能系统或直流快充电源模块等可再生能源系统中至关重要。

很多可再生能源应用的运行面积较小,会产生大量热量,推动设计人员不断探寻缩减印刷电路板尺寸和最大程度进行散热的方法。SiC 比 IGBT 的工作温度高,使得 SiC 电源开关具有更高的热稳定性和机械稳定性,可实现更为紧凑的电力电子产品设计。

使用栅极驱动器驱动 SiC

基于 SiC 电源开关的特性,驱动 SiC 电源开关需要特殊考量。栅极驱动器选择会对 SiC 在应用中的性能产生合理范围内的影响。

SiC 电源开关需要能够处理高电压和额定电流的栅极驱动器。栅极驱动器必须提供足够的栅极电荷来切换 SiC 电源开关并防止产生电压尖峰。

与 IGBT 相比,SiC 电源开关更容易受到短路的影响,导致电力电子系统严重损坏。通常,IGBT 的短路耐受时间大约为 10µs,而 SiC 的短路耐受时间大约为 2µs。鉴于此,使用 SiC 电源开关进行设计时,务必要考虑添加提供去饱和或过流保护等特性的保护元件。部分栅极驱动器,如 UCC21710 栅极驱动器,具有内置的短路保护特性,可检测并响应短路事件。如需了解有关用于 SiC FET 的短路保护方法的更多信息,请参阅应用手册“了解用于 SiC MOSFET 的短路保护方法”。

尽管 SiC 电源开关可在较高温度环境中运行,但监控 SiC 电源开关的热性能并防止过热仍然非常重要。除了内置的短路保护特性,UCC21710 还具有用于监控的集成传感器,无需部署分立式温度传感器。

结语

要充分利用可再生能源系统的电源输出,必须最大限度提高效率,同时实现成本、尺寸和可靠性的平衡。SiC 电源开关在高功率应用中具有诸多优势,是太阳能和电动汽车充电的理想选择。为最大程度地提升 SiC 对这些应用的影响力,TI 提供了针对 SiC 电源开关进行优化的栅极驱动器产品,这些栅极驱动器产品具有多个功率级别以及不同程度的集成保护,可帮助简化 SiC 电源设计。

(德州仪器)

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