全球范圍內正在經(jīng)歷一場能源革命。根據(jù)國際能源署的報告，到 2026 年，可再生能源將占全球能源增長量的大約 95%。太陽能將占到這 95% 中的一半以上。

如今，在遠大的清潔能源目標和政府政策的驅動下，太陽能、電動汽車 (EV) 基礎設施和儲能領域不斷加快采用可再生能源。可再生能源的逐漸普及也為在工業(yè)、商業(yè)和住宅應用中部署功率轉換系統(tǒng)提供了更多機會。采用碳化硅 (SiC) 等寬帶隙器件，可幫助設計人員平衡四大性能指標：效率、密度、成本和可靠性。

SiC 相比傳統(tǒng)基于 IGBT 的電源應用在可再生能源系統(tǒng)中的優(yōu)勢

SiC 電源開關和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 是可再生能源系統(tǒng)等高功率應用的常用電源開關。圖 1 展示了 SiC 電源開關和 IGBT 的典型開關頻率和功率級別。兩者均可適用于 1kW 及以上的功率級別。

圖 1：電源開關的典型工作范圍

SiC 電源開關與 IGBT 等傳統(tǒng)硅電源開關相比，在高功率可再生能源應用中具有諸多性能優(yōu)勢。

第一個性能優(yōu)勢是相對于 IGBT 具有更低的電阻和電容，可降低功率損耗并有助于提升效率。SiC 電源開關可支持遠高于 IGBT 的開關速度，從而幫助降低開關損耗并提升功率轉換效率。這意味著更高的能源產量，最大限度提升功率轉換器的輸出，在光伏逆變器、儲能系統(tǒng)或直流快充電源模塊等可再生能源系統(tǒng)中至關重要。

很多可再生能源應用的運行面積較小，會產生大量熱量，推動設計人員不斷探尋縮減印刷電路板尺寸和最大程度進行散熱的方法。SiC 比 IGBT 的工作溫度高，使得 SiC 電源開關具有更高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，可實現(xiàn)更為緊湊的電力電子產品設計。

使用柵極驅動器驅動 SiC

基于 SiC 電源開關的特性，驅動 SiC 電源開關需要特殊考量。柵極驅動器選擇會對 SiC 在應用中的性能產生合理范圍內的影響。

SiC 電源開關需要能夠處理高電壓和額定電流的柵極驅動器。柵極驅動器必須提供足夠的柵極電荷來切換 SiC 電源開關并防止產生電壓尖峰。

與 IGBT 相比，SiC 電源開關更容易受到短路的影響，導致電力電子系統(tǒng)嚴重損壞。通常，IGBT 的短路耐受時間大約為 10μs，而 SiC 的短路耐受時間大約為 2μs。鑒于此，使用 SiC 電源開關進行設計時，務必要考慮添加提供去飽和或過流保護等特性的保護元件。部分柵極驅動器，如 UCC21710 柵極驅動器，具有內置的短路保護特性，可檢測并響應短路事件。如需了解有關用于 SiC FET 的短路保護方法的更多信息，請參閱應用手冊“了解用于 SiC MOSFET 的短路保護方法”。

盡管 SiC 電源開關可在較高溫度環(huán)境中運行，但監(jiān)控 SiC 電源開關的熱性能并防止過熱仍然非常重要。除了內置的短路保護特性，UCC21710 還具有用于監(jiān)控的集成傳感器，無需部署分立式溫度傳感器。

結語

要充分利用可再生能源系統(tǒng)的電源輸出，必須最大限度提高效率，同時實現(xiàn)成本、尺寸和可靠性的平衡。SiC 電源開關在高功率應用中具有諸多優(yōu)勢，是太陽能和電動汽車充電的理想選擇。為最大程度地提升 SiC 對這些應用的影響力，TI 提供了針對 SiC 電源開關進行優(yōu)化的柵極驅動器產品，這些柵極驅動器產品具有多個功率級別以及不同程度的集成保護，可幫助簡化 SiC 電源設計。