碳化硅如何最大限度提高可再生能源系统的效率

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威廉希尔官方网站 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。

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。