導(dǎo)讀

隨著全球?qū)δ茉瓷a(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(guān)注的焦點。更加頻繁的極端天氣事件等與氣候變化相關(guān)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(guān)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(yīng)鏈，令一些項目被擱置，但光伏發(fā)電和風(fēng)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(shù)最大程度地提高海上和陸上風(fēng)電場、太陽能電池板以及潮汐能的發(fā)電量

當(dāng)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(jié)構(gòu)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(shù)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。

01

寬禁帶技術(shù)

對可再生能源的發(fā)展至關(guān)重要

幾十年來，以MOSFET和IGBT為代表的硅技術(shù)一直是功率逆變器的主要開關(guān)解決方案。這兩種器件自問世以來就一直在通過改進設(shè)計來降低轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)損耗，以便構(gòu)建更加高效的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方法可以說是成功的，轉(zhuǎn)換器的峰值效率通常能夠達到95％以上，功率因數(shù)校正設(shè)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(shù)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(yīng)商數(shù)量也穩(wěn)步增長。但設(shè)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(shù)。

盡管目前的寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用落地的更大障礙是與之相關(guān)的學(xué)習(xí)曲線。WBG開關(guān)不僅僅是硅開關(guān)的替代品，其功能也與硅開關(guān)有所不同。為了讓性能優(yōu)勢得到充分釋放，需要重新設(shè)計功率轉(zhuǎn)換器，使其能夠在更高的開關(guān)頻率下運行，這給集成電路設(shè)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(shù)在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用

SiC MOSFET被認(rèn)為是當(dāng)前IGBT設(shè)計的最佳替代方案。IGBT適合千伏以上的應(yīng)用，是大功率光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電機的核心器件，為這些應(yīng)用提供中速開關(guān)。但是，散熱管理方面的問題給終端應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)，增加了產(chǎn)品的尺寸和重量。當(dāng)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(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，并且這種損耗會隨著溫度的升高而降低。

SiC MOSFET的關(guān)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(dǎo)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(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和傳導(dǎo)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(nèi)的運營成本，同時縮減設(shè)備所占的空間，海上風(fēng)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(cè)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(shè)計中，直流鏈路的電壓在760V左右。

風(fēng)力發(fā)電機通常使用背靠背配置的電壓源換流器

高壓轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

挪威科技大學(xué)在研究中將硅IGBT換成SiC MOSFET，結(jié)果在大約5kHz的開關(guān)頻率下，SiC解決方案的效率提高了約1％。在50kHz的開關(guān)頻率下，SiC器件的效率與開關(guān)頻率為10kHz的IGBT器件相同。這種較高的開關(guān)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(shè)備的體積和重量。

此外，SiC MOSFET在10kHz開關(guān)頻率下的效率高于IGBT，因此降低了冷卻要求。諾丁漢大學(xué)在單獨分析風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)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(fēng)扇。他們還發(fā)現(xiàn)運行期間內(nèi)的能量損耗也降低了70％以上，兩年內(nèi)節(jié)省的運營成本可抵消引入SiC技術(shù)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(guān)過程中的損耗。此外，GaN HEMT能夠支持更高的開關(guān)頻率，因此和SiC一樣，它可以助力設(shè)計工程師縮減設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)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(guān)重要。

組串式配置非常適用于基于650V GaN器件的設(shè)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(fù)責(zé)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(zhuǎn)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(shù)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(guān)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(dǎo)體的GaN FET技術(shù)，比如GAN041一650WSB等，可以將開關(guān)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(shè)計，讓整個設(shè)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(guān)，材料成本也有所下降。

轉(zhuǎn)用GaN開關(guān)后，單相組串式逆變器變得更高效、

更小巧、更輕便（來源：Nexperia)

04

SiC技術(shù)在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著可再生能源技術(shù)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(fēng)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(guān)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(guān)性能，并且沒有反向恢復(fù)電流，可以為ESS應(yīng)用提供出色的熱性能。

05

SiC和GaN開關(guān)轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動器

硅和WBG開關(guān)的另一個關(guān)鍵區(qū)別在于所需的柵極驅(qū)動器。柵極驅(qū)動器可在最短的時間內(nèi)將硅MOSFET的柵極推到最高，從而實現(xiàn)快速開關(guān)，并在最低和最高電阻之間快速切換開關(guān)。盡管WBG沒有改變這一設(shè)計目標(biāo)，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(guān)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(dǎo)通，但仍需要一個稍高的電壓來開啟它。當(dāng)再次關(guān)閉它時則需要在硬開關(guān)應(yīng)用中有一個負(fù)電壓。供應(yīng)商目前提供專用的柵極驅(qū)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(qū)動電路來提供開啟和關(guān)閉時所需的電壓。

了解WBG棚極驅(qū)動器

SiC柵極驅(qū)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(guān)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(dǎo)致的過壓問題。因此，盡管開關(guān)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(qū)動器，它可以在柵極導(dǎo)通和關(guān)斷之間對電壓進行分步控制，減少電壓過沖、振鈴以及關(guān)閉損耗。

06

寬禁帶技術(shù)

新一代可再生能源設(shè)計的核心

雖然半個世紀(jì)以來，硅器件一直在為我們提供便利的服務(wù)，但新一代可再生能源設(shè)計顯然需要諸如SiC和GaN等寬禁帶技術(shù)。從太陽能和風(fēng)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(dāng)前設(shè)計者采用冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量損失。

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

隨著開關(guān)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(shù)顯然不只是現(xiàn)有開關(guān)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(zhuǎn)變可以說是“無痛”且有利于發(fā)展的。