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　　如今，人們對能源生產(chǎn)和消費(fèi)的更加關(guān)注，將焦點(diǎn)牢牢地放在了可再生能源解決方案上。與氣候變化相關(guān)的挑戰(zhàn)，如更頻繁的極端天氣事件，迫使社會重新考慮其與化石燃料的關(guān)系。

　　變化一直在發(fā)生。在過去十年中，美國關(guān)閉了500多家燃煤電廠，其中許多被天然氣替代品所取代。正確燃燒的天然氣產(chǎn)生的二氧化碳約為煤炭的一半，并消除了煤炭的NO和SO2排放。然而，科學(xué)家們表示，它不會實(shí)現(xiàn)將全球氣溫上升限制在1.5°C迫切需要的二氧化碳減排量-這是巴黎氣候協(xié)議最雄心勃勃的目標(biāo)。

　　因此，該行業(yè)一直專注于可再生能源，以實(shí)現(xiàn)凈零排放。正在取得進(jìn)展，國際能源署（IEA）報告稱，2020年第一季度全球發(fā)電量的28%來自可再生能源，比2019年同期增長2%。雖然COVID-19大流行擾亂了供應(yīng)鏈并使一些項目暫停，但太陽能光伏（PV）和風(fēng)能等可再生能源項目仍在繼續(xù)增長。

　　當(dāng)然，可再生能源的挑戰(zhàn)之一是發(fā)電和需求之間的脫節(jié)。儲能系統(tǒng)（ESS）對于彌合這一差距越來越重要，從并網(wǎng)解決方案到私人住宅的電源墻。此外，隨著我們道路上電動汽車（EV）數(shù)量的增加，它們越來越多地被視為能源結(jié)構(gòu)的一部分。充電器正迅速變得雙向，使電動汽車能夠在完全斷電的情況下彌補(bǔ)電網(wǎng)的驟降，甚至為家庭供電。

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　　寬帶隙：可再生能源的關(guān)鍵組成部分

　　幾十年來，MOSFET和IGBT等硅技術(shù)一直是功率逆變器的主要開關(guān)解決方案。自推出以來，這兩種器件類型的設(shè)計都在不斷改進(jìn)，以降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的損耗，從而能夠構(gòu)建更高效的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洹＿@種方法可以被認(rèn)為是成功的，轉(zhuǎn)換器通常達(dá)到95%以上的峰值效率，功率因數(shù)校正（PFC）設(shè)計破解98%的效率。雖然令人印象深刻，但請記住，小型光伏解決方案或雙向車載充電器僅1%的效率損失就很容易從500 W到3 kW不等。這種能量必須消散和消除。

　　近年來，寬帶隙（WBG）技術(shù)已經(jīng)廣為人知，提供碳化硅（SiC）MOSFET和氮化鎵（GaN）晶體管的供應(yīng)商數(shù)量穩(wěn)步增長。然而，由于各種原因，設(shè)計工程師自然會猶豫不決。

　　目前的設(shè)備仍然比硅替代品更昂貴，但這種差距每年都在縮小。也許采用的更重要的障礙是所涉及的學(xué)習(xí)曲線。WBG交換機(jī)的功能與硅交換機(jī)不同，不僅僅是直接替代品。電源轉(zhuǎn)換器需要重新設(shè)計，以便在更高的開關(guān)頻率下工作，以獲得全部優(yōu)勢，這在布局和滿足EMC/EMI要求方面帶來了許多新的挑戰(zhàn)。

　　仔細(xì)研究風(fēng)能發(fā)電中的碳化硅與IGBT對比

　　SiC MOSFET被推廣為使用IGBT的現(xiàn)有設(shè)計的絕佳替代品。IGBT一直是大型光伏逆變器和風(fēng)力渦輪機(jī)>1000 V應(yīng)用的支柱，提供中速開關(guān)。然而，由于熱管理挑戰(zhàn)，最終應(yīng)用受到影響，從而推高了總尺寸和重量。在類似的測試條件下工作時，SiC MOSFET在25°C時的導(dǎo)通開關(guān)損耗低于IGBT，后者隨著溫度的升高而下降。

　　關(guān)斷損耗也更低，在工作溫度升高時略有上升，比眾所周知的IGBT中少數(shù)載流子積累引起的尾電流有所改善。導(dǎo)通電阻特性也得到改善，隨著工作溫度的升高而略有增加。因此，SiC MOSFET的導(dǎo)通、關(guān)斷和傳導(dǎo)損耗較低，其損耗通常比同等的IGBT器件低60%以上。在這種情況下，溝槽式MOSFET FF6MR12KM1P等器件非常適合作為IGBT的替代品。

　　海上風(fēng)力渦輪機(jī)對可靠性提出了很高的要求，以在其生命周期內(nèi)控制其運(yùn)營成本，但也為設(shè)備提供了有限的空間。它們通常使用背靠背配置的電壓源轉(zhuǎn)換器（VSC），由用于低壓側(cè)的三相兩電平整流器和三相三電平中性點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器組成。對于460 V、240 kW設(shè)計，直流母線位于760 V左右。

　　在太陽能逆變器中為GaN切換IGBT

　　與SiC MOSFET一樣，GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）可以提供比硅對應(yīng)物顯著的優(yōu)勢。漏源電荷QOSS要低得多，從而顯著降低開關(guān)期間的損耗，導(dǎo)通電阻也是如此。此外，它們還支持明顯更高的開關(guān)頻率。與SiC一樣，這意味著設(shè)計工程師可以在其設(shè)計中減小無源元件的尺寸。

　　用于家庭和商業(yè)建筑的小型光伏正變得越來越流行。光伏使消費(fèi)者和商業(yè)用戶能夠?yàn)殡妱悠嚦潆姡M足部分（有時是全部）電力消費(fèi)需求。單相應(yīng)用適用于組串式逆變器，其中光伏板串聯(lián)以產(chǎn)生直流電壓。雖然這些面板多年來有所改進(jìn)，但它們的效率約為20%。因此，確保將面板電壓轉(zhuǎn)換為線路輸出或直流電源以為本地儲能系統(tǒng)（ESS）充電時具有盡可能高的效率至關(guān)重要。

　　組串配置非常適合基于650 V GaN的設(shè)計。每個串都鏈接到一個DC/DC升壓電路。這些由微控制器或片上系統(tǒng)（SoC）控制，該微控制器或片上系統(tǒng)（SoC）還處理最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。輸出饋送直流母線大容量電容器，DC/DC轉(zhuǎn)換器可從該電容器饋入ESS電池組或DC/AC逆變器，以提供供本地使用或電網(wǎng)的單相交流電。

　　用于組串式逆變器的基于IGBT的光伏解決方案可實(shí)現(xiàn)98%的峰值效率，工作在15 kHz至30 kHz的開關(guān)速度下。由于操作頻率的原因，磁性元件相對較大，重量較重且價格昂貴。此外，IGBT需要反并聯(lián)二極管，這總共都有助于空間要求、物料清單（BOM）和成本。

　　轉(zhuǎn)向Nexperia的GaN FET技術(shù)，例如GAN041-650WSB，可將開關(guān)頻率推至100 kHz至300 kHz之間。在此工作點(diǎn)，輸出濾波器變得更小，而輸出信號的保真度導(dǎo)致諧波失真減少。這些改進(jìn)貫穿整個設(shè)計，以提供更小、更輕的設(shè)計，功率密度至少翻倍。此外，效率可以突破99%的障礙，而BOM成本也會下降。

　　在儲能系統(tǒng)中使用SiC技術(shù)

　　隨著這些可再生技術(shù)變得越來越普遍，儲能系統(tǒng)（ESS）也必須如此。這些系統(tǒng)確保產(chǎn)生的多余能量不會作為熱量消散或閑置。ESS可以在太陽，風(fēng)能或其他來源不可用時提供時間，并在電網(wǎng)遇到高需求時提供電力。

　　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(jìn)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并減小元件尺寸。安森美的NDSH25170A為ESS應(yīng)用提供高開關(guān)性能，無反向恢復(fù)電流和出色的熱性能。

　　用于WBG碳化硅和氮化鎵開關(guān)轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動器

　　硅開關(guān)和WBG開關(guān)之間的另一個關(guān)鍵區(qū)別是柵極驅(qū)動器的實(shí)現(xiàn)。柵極驅(qū)動器設(shè)計用于在最短的時間內(nèi)將硅MOSFET的柵極推得盡可能高，以提供快速開關(guān)，并在最低和最高電阻之間快速移動開關(guān)。WBG不會改變這個設(shè)計目標(biāo)，但所涉及的電壓確實(shí)會改變。

　　GaN晶體管的柵極看起來像一個二極管，正向電壓約為3 V，與開關(guān)的柵極電容并聯(lián)。因此，雖然只需要一個低電壓來保持晶體管導(dǎo)通，但需要稍高的電壓來打開它。再次關(guān)閉時，硬開關(guān)應(yīng)用中需要負(fù)電壓。供應(yīng)商現(xiàn)在提供專用柵極驅(qū)動器，例如隔離式1EDF5673K。該器件使用RC耦合柵極驅(qū)動器電路來提供導(dǎo)通和關(guān)斷所需的電壓。

　　SiC柵極驅(qū)動器通常與硅柵極驅(qū)動器類似，盡管導(dǎo)通電壓略高。然而，更高的開關(guān)速度帶來了新的挑戰(zhàn)，例如噪聲和EMI，以及寄生電感引起的過壓。因此，雖然盡快切換似乎是有益的，但對柵極進(jìn)行純模擬控制可能并不總是最佳方法。Microchip的2ASC-12A1HP AgileSwitch是一款數(shù)字柵極驅(qū)動器，可在導(dǎo)通和關(guān)斷之間步進(jìn)柵極電壓，從而減少過沖、振鈴和關(guān)斷能量。

　　編輯：黃飛