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碳化矽如何將再生能源系統的效率提升到最高

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德州儀器新聞稿 發表於 2023年8月30日
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圖、碳化矽如何將再生能源系統的效率提升到最高
 
世界各地正在掀起一場能源革命。根據國際能源署的資料,到 2026 年為止,再生能源於全球電力容量占比將增加近 95%,而太陽能將佔這 95% 的一半以上。

現今,雄心勃勃的乾淨能源目標和政府政策正加速推動再生能源在太陽能、電動車  (EV)基礎設施和儲能等領域的採用。採用率的提高為在工業、商業和住宅應用中部署電源轉換系統帶來更多契機。碳化矽  (SiC)等寬能隙裝置的採用,讓設計人員得以在四個性能指標:效率、密度、成本和可靠性之間取得平衡。

SiC 相較於傳統 IGBT 型電源應用在再生能源中的優勢
SiC 電源開關和絕緣閘極雙極電晶體  (IGBT)是再生能源系統等高功率應用中常用的電源開關。圖 1 顯示 SiC 電源開關和 IGBT 操作的典型開關頻率和功率位準。兩者都適用於 1 kW 或更高的功率位準。

 

圖 1:電源開關的典型操作範圍

與傳統的矽電源開關  (如 IGBT)相比,SiC 電源開關在高功率再生能源中具有多項性能優勢。

第一個性能優勢是相對於 IGBT 具有更低的電阻和電容,這可以減少功率損耗並有助於提高效率。SiC 電源開關可以支援比 IGBT 高得多的開關速度,這有助於降低開關損耗並提高電源轉換效率。這項設計也意味著能有更高的能源產量,對於最大化太陽能逆變器、儲能系統或 DC 快速充電器中的電源模組等再生系統中電源轉換器的輸出至關重要。

許多再生能源應用是在發熱量高的小區域內運作,導致設計人員必須積極尋找縮小印刷電路板尺寸和最大化散熱的方法。SiC 可以在比 IGBT 更高的溫度下操作,使 SiC 電源開關具有更高的熱穩定性和機械穩定性,進而實現更小巧的電源電子設計。

使用閘極驅動器驅動 SiC
鑑於其獨特的特性,驅動 SiC 電源開關有一些特殊考慮。閘極驅動器的選擇則會順理成章地影響 SiC 在應用中的性能。

SiC 電源開關需要能夠處理高電壓和電流額定值的閘極驅動器。閘極驅動器必須提供足夠的閘極電荷來切換 SiC 電源開關並防止電壓突波。

與 IGBT 相比,SiC 電源開關容易發生短路,這會嚴重損壞電源電子系統。通常,IGBT 的短路耐受時間約為 10 μs,而 SiC 的短路耐受時間約為 2 μs。因此,在使用 SiC 電源開關進行設計時,考慮增加去飽和或過電流保護等保護元件非常重要。某些閘極驅動器  (例如 UCC21710 閘極驅動器)具有內建短路保護功能,可偵測和回應短路事件。如需更多有關 SiC FET 短路保護的詳細資訊,請參閱應用說明「了解 SiC MOSFET 的短路保護」。

雖然 SiC 電源開關可以在高溫環境中操作,但監控 SiC 電源開關的熱性能並防止過熱仍然很重要。除了內建短路保護功能外,UCC21710 還具有用於監控的整合式感測器,無需實作離散式溫度感測器。

結論
為了充分利用再生能源系統的功率輸出,在平衡成本、尺寸和可靠性的同時,將效率提升到最高也非常重要。SiC 電源開關在高功率應用中具有多項優勢,使其成為太陽能和電動車充電的理想選擇。為了充分發揮 SiC 對這些應用的影響,TI 提供針對 SiC 電源開關最佳化的閘極驅動器產品,這些產品遍及各種功率位準以及不同等級的整合式保護,可協助簡化 SiC 功率級的設計。(1149個字;圖2)
 

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