導讀

隨著全球對能源生產(chǎn)與消費問題愈發(fā)重視，可再生能源解決方案已成為大家關注的焦點。更加頻繁的極端天氣事件等與氣候變化相關的挑戰(zhàn)迫使整個社會不得不重新思考其與化石燃料的關系。

為了實現(xiàn)凈零排放，業(yè)界將目光投向了可再生能源，并且已經(jīng)取得了一些進展。根據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的報告顯示，2020年第一季度，可再生能源發(fā)電在全球總發(fā)電量中的占比達28％，同比增長2％。雖然新冠疫情擾亂了供應鏈，令一些項目被擱置，但光伏發(fā)電和風電等可再生能源發(fā)電項目的需求仍在繼續(xù)增長。

工程師們使用最新的寬禁帶技術最大程度地提高海上和陸上風電場、太陽能電池板以及潮汐能的發(fā)電量

當然，利用可再生能源所面臨的挑戰(zhàn)之一是發(fā)電端與需求端的不匹配。而儲能系統(tǒng)在彌補這一缺口方面正發(fā)揮著日益重要的作用，它涵蓋的范圍非常廣泛，其中包括新能源并網(wǎng)解決方案以及家庭電池能量墻等。此外，隨著道路上的電動汽車數(shù)量不斷增加，它們在整個能源結構中的分量也越來越重要。車載充電機正在向著雙向充電的技術演進路徑迅速發(fā)展，使電動汽車能夠彌補電網(wǎng)供電的不足，以至于在完全斷電的情況下也能為住宅供電。

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寬禁帶技術

對可再生能源的發(fā)展至關重要

幾十年來，以MOSFET和IGBT為代表的硅技術一直是功率逆變器的主要開關解決方案。這兩種器件自問世以來就一直在通過改進設計來降低轉換器中的開關損耗，以便構建更加高效的功率轉換拓撲結構。這種方法可以說是成功的，轉換器的峰值效率通常能夠達到95％以上，功率因數(shù)校正設計的效率也達到了98％。雖然這已經(jīng)稱得上是“技驚四座”，但請記住，一套小型光伏解決方案或者雙向車載充電機只要有1％的效率損失，耗電量就會增加500瓦至3,000千瓦。所以必須尋找方法避免這些電源的損耗。

近年來，寬禁帶（WBG）技術已經(jīng)開始嶄露頭角，生產(chǎn)碳化硅（SiC）MOSFET和氮化鎵（GaN）晶體管的供應商數(shù)量也穩(wěn)步增長。但設計工程師還會出于各種原因而猶豫是否要使用寬禁帶技術。

盡管目前的寬禁帶半導體器件仍然比硅器件昂貴，但這種差距正在逐年縮小。也許影響寬禁帶半導體產(chǎn)品應用落地的更大障礙是與之相關的學習曲線。WBG開關不僅僅是硅開關的替代品，其功能也與硅開關有所不同。為了讓性能優(yōu)勢得到充分釋放，需要重新設計功率轉換器，使其能夠在更高的開關頻率下運行，這給集成電路設計以及滿足電磁兼容/抗電磁干擾（EMC/EMI）要求帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。

02

SiC與IGBT技術在風能發(fā)電中的應用

SiC MOSFET被認為是當前IGBT設計的最佳替代方案。IGBT適合千伏以上的應用，是大功率光伏逆變器和風力發(fā)電機的核心器件，為這些應用提供中速開關。但是，散熱管理方面的問題給終端應用帶來了挑戰(zhàn)，增加了產(chǎn)品的尺寸和重量。當在類似的測試條件下運行時，SiC MOSFET在25攝氏度的環(huán)境下具有比IGBT更低的導通損耗和開關損耗，并且這種損耗會隨著溫度的升高而降低。

SiC MOSFET的關斷損耗也更低，不過在工作溫度升高時會略有上升，但相比于IGBT中的少數(shù)載流子積聚所產(chǎn)生的拖尾電流有所改善。導通電阻的特性也得到了改善，在工作溫度升高時電源損耗的增加幅度很小。由于導通損耗、關斷損耗和傳導損耗較低，SiC MOSFE的功耗通?？梢员韧鹊腎GBT器件低60％以上。因此在此類情況中，英飛凌的CoolSiC Trench MOSFET FF6MR12KMIP等器件很適合作為IGBT的替代品。

為了控制機組生命周期內的運營成本，同時縮減設備所占的空間，海上風電機組對器件的可靠性提出了非常高的要求。它們通常使用背靠背配置的電壓源換流器，包括一個用于低壓側的三相兩電平整流器和一個三相三電平中性點箝位逆變器。在460V、240KW的設計中，直流鏈路的電壓在760V左右。

風力發(fā)電機通常使用背靠背配置的電壓源換流器

高壓轉換拓撲結構

挪威科技大學在研究中將硅IGBT換成SiC MOSFET，結果在大約5kHz的開關頻率下，SiC解決方案的效率提高了約1％。在50kHz的開關頻率下，SiC器件的效率與開關頻率為10kHz的IGBT器件相同。這種較高的開關頻率可以帶來諸多裨益，例如通過減少無源元件的尺寸來提高功率密度，從而縮減整個設備的體積和重量。

此外，SiC MOSFET在10kHz開關頻率下的效率高于IGBT，因此降低了冷卻要求。諾丁漢大學在單獨分析風力發(fā)電機應用時改用了SiC器件，使散熱片的體積減少了三分之一并且完全無需使用冷卻風扇。他們還發(fā)現(xiàn)運行期間內的能量損耗也降低了70％以上，兩年內節(jié)省的運營成本可抵消引入SiC技術所產(chǎn)生的額外成本。

03

將光伏逆變器中的IGBT替換成GaN

與SiC MOSFET一樣，GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）也具有比硅同類產(chǎn)品更佳的性能優(yōu)勢。其漏極和源極電荷QOSS更低，這大大降低了開關過程中的損耗。此外，GaN HEMT能夠支持更高的開關頻率，因此和SiC一樣，它可以助力設計工程師縮減設計過程中所使用的無源元件的尺寸。

用于住宅和商業(yè)樓宇的小型光伏系統(tǒng)正變得越來越流行。個人和企業(yè)用戶能夠通過光伏系統(tǒng)為他們的電動汽車充電并滿足他們的部分用電需求，甚至偶爾還能滿足全部的用電需求。單相應用適合使用將光伏電池板串聯(lián)起來產(chǎn)生直流電壓的組串式逆變器。雖然這種電池板多年來有所改進，但其效率仍只有20％左右。因此，在將電池板電壓轉換為線路輸出或直流電源來給本地儲能系統(tǒng)（BSS）充電時，保持盡可能高的效率這一點至關重要。

組串式配置非常適用于基于650V GaN器件的設計每個組串都與一個DC/DC升壓電路相連，并且均由一個同時還負責處理最大功率點跟蹤（MPPT）的微控制器或片上系統(tǒng)（SoC）控制。輸出端為直流鏈路大容量電容器提供電能，然后由DC/DC轉換器使用該電容器中的電能為ESS電池組或DC/AC逆變器供電，再由它們提供單相交流電供本地或電網(wǎng)使用。

基于IGBT技術的組串式光伏逆變器可以達到98％的峰值效率，并在15kHz至30kHz的開關速度下運行。由于工作頻率的原因，磁性元件相對較大、較重且昂貴。此外，IGBT還需要使用反并聯(lián)二極管?？傊@些都會增加空間尺寸要求、材料清單（BOM）和成本。

改用安世半導體的GaN FET技術，比如GAN041一650WSB等，可以將開關頻率推高到100kHz至300 kHz之間。在使用該器件時，會讓輸出濾波器變小很多，同時輸出信號的保真度會減少諧波失真。這些改進貫穿整個設計，讓整個設計變得更小巧、更輕便，并使功率密度至少增加一倍，進而效率也突破了99％大關，材料成本也有所下降。

轉用GaN開關后，單相組串式逆變器變得更高效、

更小巧、更輕便（來源：Nexperia)

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SiC技術在儲能系統(tǒng)中的應用

隨著可再生能源技術變得越來越普及，儲能系統(tǒng)（BSS）也必須跟上步伐。儲能系統(tǒng)能夠確保所產(chǎn)生的多余能量不會以熱量的形式散失或被閑置。這些系統(tǒng)可以在太陽能、風能或其他能源不可用時提供能量，并在電網(wǎng)出現(xiàn)高需求時提供電能。

碳化硅肖特基二極管針對這些系統(tǒng)的高性能和高效率要求進行了優(yōu)化。這些二極管通過提高開關頻率來降低功率損耗和縮減元器件的尺寸。安森美的NDSH25170A 具有高開關性能，并且沒有反向恢復電流，可以為ESS應用提供出色的熱性能。

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SiC和GaN開關轉換器的柵極驅動器

硅和WBG開關的另一個關鍵區(qū)別在于所需的柵極驅動器。柵極驅動器可在最短的時間內將硅MOSFET的柵極推到最高，從而實現(xiàn)快速開關，并在最低和最高電阻之間快速切換開關。盡管WBG沒有改變這一設計目標，但改變了所涉及的電壓。

氮化鎵晶體管的柵極與二極管中的類似，其正向電壓約為3V，與開關的柵電容平行。因此，盡管只需要一個低電壓來保持晶體管導通，但仍需要一個稍高的電壓來開啟它。當再次關閉它時則需要在硬開關應用中有一個負電壓。供應商目前提供專用的柵極驅動器，例如英飛凌的隔離式1EDF5673K。該器件使用一個RC耦合的柵極驅動電路來提供開啟和關閉時所需的電壓。

了解WBG棚極驅動器

SiC柵極驅動器的功能一般與硅的同類產(chǎn)品相似，區(qū)別在于開啟電壓略高。但開關速度的提高也帶來了新的挑戰(zhàn)，比如因為噪音和EMI以及寄生電感而導致的過壓問題。因此，盡管開關速度的提升有利于系統(tǒng)的運行，但有時采用純模擬控制的柵極可能并不是最佳的方案。Microchip的2ASC-12AIHP AgileSwitch是一種數(shù)字柵極驅動器，它可以在柵極導通和關斷之間對電壓進行分步控制，減少電壓過沖、振鈴以及關閉損耗。

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寬禁帶技術

新一代可再生能源設計的核心

雖然半個世紀以來，硅器件一直在為我們提供便利的服務，但新一代可再生能源設計顯然需要諸如SiC和GaN等寬禁帶技術。從太陽能和風能到ESS，效率必須更加接近100％才能滿足這些系統(tǒng)的功率水平。這不但能夠提高功率密度，還能減少當前設計者采用冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量損失。

隔離式棚極驅動器可用于控制GaN HEMT。RC耦合設計確保在硬開關應用上產(chǎn)生正確的電壓（來源：英飛凌）

隨著開關頻率的提高，磁性元件也可以變得更加小巧，進而使解決方案更緊湊、更輕便、更容易安裝并減少所占用的空間。寬禁帶技術顯然不只是現(xiàn)有開關的簡單替代。不過工程師們喜歡迎接挑戰(zhàn)，并且只要遵循基本的電氣原理，這一轉變可以說是“無痛”且有利于發(fā)展的。

審核編輯 ：李倩