諸如太陽能和風(fēng)力發(fā)電之類的創(chuàng)新技術(shù)正在加速取代傳統(tǒng)燃料為基礎(chǔ)的電廠，并且由于儲能和收集方法的改善，從而節(jié)省了大量成本，已經(jīng)超過了昂貴的“發(fā)電廠”。

在政府通過政策和激勵措施支持新能源的前提下，公共能源基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有許多改善和增長的機(jī)會。

最新進(jìn)展

較舊的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括單向電力輸送和有限的能源發(fā)電，例如化石燃料，水力發(fā)電和核電站?？稍偕茉吹漠a(chǎn)生和收集方面最新進(jìn)展是使同一個電網(wǎng)可以擴(kuò)展其發(fā)電資源(風(fēng)能和太陽能)，同時可以創(chuàng)建靈活的雙向分配方式，以滿足不同的需求和存儲選擇。

具體地說，對于太陽能而言，通常需要使用逆變器，這些逆變器將光伏(PV)模塊產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，然后再傳遞回電網(wǎng)。最常見的方法之一是通過串式逆變器方案，其中將來自太陽能電池板的DC電壓饋入DC/DC升壓，然后進(jìn)入DC / AC逆變器，然后連接到電網(wǎng)。

圖1顯示了典型的太陽能串逆變器框圖，其中包括柵極驅(qū)動，電流感測和處理。通常使用IGBT，高壓FET以及更常見的包含集成IGBT和二極管的功率集成模塊(PIM)來完成此配置的功率傳輸。

太陽能串逆變器框圖

電動汽車充電則是另一個具有類似大功率需求的行業(yè)。電動汽車以前所未有的速度越來越受歡迎。不幸的是，他們的充電站一直落后。電動汽車充電的基礎(chǔ)設(shè)施還沒有達(dá)到加油站那樣的可用性，同時充電時間也遠(yuǎn)大于加油時間。以350 kW的功率水平運行的DC快速充電系統(tǒng)可以在不到10分鐘的時間內(nèi)為車輛充滿電。

圖2顯示了一個典型的DC快速充電框圖的示例，其中包含電源路徑組件以及相關(guān)的處理和外圍設(shè)備。

事實證明，基于碳化硅(SiC)的組件可以為公共能源基礎(chǔ)設(shè)施(例如，電網(wǎng)和EV充電站)提供更好的電力傳輸解決方案。反過來，這樣的解決方案可以在更好的傳導(dǎo)損耗，泄漏電流，熱管理，浪涌容量和功率密度方面提供改進(jìn)。此外，基于SiC的技術(shù)可提高整體效率，并提高可靠性及減小整體占地面積。安森美半導(dǎo)體等行業(yè)領(lǐng)先的公司提供了一系列SiC器件，因此讓我們探究這些器件并深入研究其某些應(yīng)用。

SiC技術(shù)為什么是更好的解決方案

無論是太陽能，電動汽車充電，還是服務(wù)器應(yīng)用，都表明SiC技術(shù)可以勝過傳統(tǒng)的硅器件和模塊，例如硅IGBT / MOSFET。但是，讓我們從一個跳到每個設(shè)計師的腦海中的話題開始：效率。

SiC如何提高效率?涉及許多因素，但主要是，SiC的優(yōu)勢包括在較低的傳導(dǎo)損耗(Vf)下具有較高的工作溫度和頻率(最高1 MHz)，以及較高的電壓和額定電流(高達(dá)1800 V的電壓和100A的電流)，與硅MOSFET相比，又可以提供更高的電源效率和更少的散熱設(shè)計。

有關(guān)SiC技術(shù)如何為高壓和大電流應(yīng)用提供某些最高總體功率的功能，請參見圖3。

鑒于這些SiC器件的導(dǎo)通電阻較低，而功率能力則更高，基于SiC的解決方案可轉(zhuǎn)化為更高的工作效率。

圖4展示了串聯(lián)的SiC基二極管和MOSFET，在典型的5kW升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用時，傳導(dǎo)損耗降低多達(dá)73%。

由于對相關(guān)電感器和電容器的尺寸要求較低，因此基于SiC的電路的占地面積通常要小得多。實際上，在某些情況下，由于具有更高的開關(guān)頻率，它的尺寸要小75%。因此可以提供更高的功率密度。盡管SiC MOSFET通常比傳統(tǒng)的硅MOSFET貴4倍，但是由于這些較小的電感器和電容器，整個系統(tǒng)的成本下降了，同時減少了總面積。

在產(chǎn)品組裝和機(jī)械集成方面，事實證明，ON Semconductor的PIM(例如Q0 / Q1 / Q2PACK模塊，其中集成了SiC器件以幫助減少周邊系統(tǒng)開發(fā))簡化了制造過程并降低了開發(fā)風(fēng)險，同時允許加快上市時間。

另外，分立的非集成式解決方案通常需要更多的時間來設(shè)計安裝散熱系統(tǒng)，例如隔離墊和散熱器，同時還帶來了不良的熱接觸風(fēng)險。PIM解決方案可簡化裝配過程，從而減少時間/成本并提高可靠性，同時由于功率密度方面的優(yōu)勢，還可以使最終產(chǎn)品更緊湊。

圖5展示了離散解決方案與PIM模塊組裝過程的比較。

安森美半導(dǎo)體的SiC電源解決方案

安森美半導(dǎo)體的PIM模塊可提供更快的開關(guān)速度，更高的功率效率和更高的功率密度，這些解決方案還可以降低系統(tǒng)成本和尺寸，但這還不是全部。 PIM模塊并非總是比分立組件更受青睞，主要是基于應(yīng)用的額定功率以及性能和成本方面的考慮。因此安森美半導(dǎo)體提供分立和PIM SiC兩種解決方案。

圖6顯示了如何在離散解決方案或PIM解決方案之間進(jìn)行選擇。

用于UPS，電動機(jī)驅(qū)動或光伏逆變器等應(yīng)用的高壓輔助電源通常具有300 VDC至1000 VDC的直流母線電壓，這使其很難為顯示器，風(fēng)扇或加熱器集成低壓輔助電源。但是SiC MOSFET具有更高的阻斷電壓和更寬的輸入電壓范圍，從而具有更大的系統(tǒng)靈活性和功能。此外，如SiC優(yōu)勢部分所述，更高的頻率和更低的導(dǎo)通電阻會導(dǎo)致更小，更高功率密度的解決方案。但是，讓我們看一下以75 kHz運行的ESBC配置電源和以300 kHz運行的SiC電源之間的直接比較。SiC電源的尺寸更小(約一半)，功率輸出增加20%，并且效率明顯提高。