风能发电中的碳化硅与IGBT对比分析

 

　　如今，人们对能源生产和消费的更加关注，将焦点牢牢地放在了可再生能源解决方案上。与气候变化相关的挑战，如更频繁的极端天气事件，迫使社会重新考虑其与化石燃料的关系。

　　变化一直在发生。在过去十年中，美国关闭了500多家燃煤电厂，其中许多被天然气替代品所取代。正确燃烧的天然气产生的二氧化碳约为煤炭的一半，并消除了煤炭的NO和SO2排放。然而，科学家们表示，它不会实现将全球气温上升限制在1.5°C迫切需要的二氧化碳减排量-这是巴黎气候协议最雄心勃勃的目标。

　　因此，该行业一直专注于可再生能源，以实现净零排放。正在取得进展，国际能源署（IEA）报告称，2020年第一季度全球发电量的28%来自可再生能源，比2019年同期增长2%。虽然COVID-19大流行扰乱了供应链并使一些项目暂停，但太阳能光伏（PV）和风能等可再生能源项目仍在继续增长。

　　当然，可再生能源的挑战之一是发电和需求之间的脱节。储能系统（ESS）对于弥合这一差距越来越重要，从并网解决方案到私人住宅的电源墙。此外，随着我们道路上电动汽车（EV）数量的增加，它们越来越多地被视为能源结构的一部分。充电器正迅速变得双向，使电动汽车能够在完全断电的情况下弥补电网的骤降，甚至为家庭供电。

 

　　宽带隙：可再生能源的关键组成部分

　　几十年来，MOSFET和IGBT等硅技术一直是功率逆变器的主要开关解决方案。自推出以来，这两种器件类型的设计都在不断改进，以降低开关转换器的损耗，从而能够构建更高效的功率转换拓扑。这种方法可以被认为是成功的，转换器通常达到95%以上的峰值效率，功率因数校正（PFC）设计破解98%的效率。虽然令人印象深刻，但请记住，小型光伏解决方案或双向车载充电器仅1%的效率损失就很容易从500 W到3 kW不等。这种能量必须消散和消除。

　　近年来，宽带隙（WBG）技术已经广为人知，提供碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）晶体管的供应商数量稳步增长。然而，由于各种原因，设计工程师自然会犹豫不决。

　　目前的设备仍然比硅替代品更昂贵，但这种差距每年都在缩小。也许采用的更重要的障碍是所涉及的学习曲线。WBG交换机的功能与硅交换机不同，不仅仅是直接替代品。电源转换器需要重新设计，以便在更高的开关频率下工作，以获得全部优势，这在布局和满足EMC/EMI要求方面带来了许多新的挑战。

　　仔细研究风能发电中的碳化硅与IGBT对比

　　SiC MOSFET被推广为使用IGBT的现有设计的绝佳替代品。IGBT一直是大型光伏逆变器和风力涡轮机>1000 V应用的支柱，提供中速开关。然而，由于热管理挑战，最终应用受到影响，从而推高了总尺寸和重量。在类似的测试条件下工作时，SiC MOSFET在25°C时的导通开关损耗低于IGBT，后者随着温度的升高而下降。

　　关断损耗也更低，在工作温度升高时略有上升，比众所周知的IGBT中少数载流子积累引起的尾电流有所改善。导通电阻特性也得到改善，随着工作温度的升高而略有增加。因此，SiC MOSFET的导通、关断和传导损耗较低，其损耗通常比同等的IGBT器件低60%以上。在这种情况下，沟槽式MOSFET FF6MR12KM1P等器件非常适合作为IGBT的替代品。

　　海上风力涡轮机对可靠性提出了很高的要求，以在其生命周期内控制其运营成本，但也为设备提供了有限的空间。它们通常使用背靠背配置的电压源转换器（VSC），由用于低压侧的三相两电平整流器和三相三电平中性点钳位（NPC）逆变器组成。对于460 V、240 kW设计，直流母线位于760 V左右。

　　在太阳能逆变器中为GaN切换IGBT

　　与SiC MOSFET一样，GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）可以提供比硅对应物显着的优势。漏源电荷QOSS要低得多，从而显著降低开关期间的损耗，导通电阻也是如此。此外，它们还支持明显更高的开关频率。与SiC一样，这意味着设计工程师可以在其设计中减小无源元件的尺寸。

　　用于家庭和商业建筑的小型光伏正变得越来越流行。光伏使消费者和商业用户能够为电动汽车充电，并满足部分（有时是全部）电力消费需求。单相应用适用于组串式逆变器，其中光伏板串联以产生直流电压。虽然这些面板多年来有所改进，但它们的效率约为20%。因此，确保将面板电压转换为线路输出或直流电源以为本地储能系统（ESS）充电时具有尽可能高的效率至关重要。

　　组串配置非常适合基于650 V GaN的设计。每个串都链接到一个DC/DC升压电路。这些由微控制器或片上系统（SoC）控制，该微控制器或片上系统（SoC）还处理最大功率点跟踪（MPPT）。输出馈送直流母线大容量电容器，DC/DC转换器可从该电容器馈入ESS电池组或DC/AC逆变器，以提供供本地使用或电网的单相交流电。

　　用于组串式逆变器的基于IGBT的光伏解决方案可实现98%的峰值效率，工作在15 kHz至30 kHz的开关速度下。由于操作频率的原因，磁性元件相对较大，重量较重且价格昂贵。此外，IGBT需要反并联二极管，这总共都有助于空间要求、物料清单（BOM）和成本。

　　转向Nexperia的GaN FET技术，例如GAN041-650WSB，可将开关频率推至100 kHz至300 kHz之间。在此工作点，输出滤波器变得更小，而输出信号的保真度导致谐波失真减少。这些改进贯穿整个设计，以提供更小、更轻的设计，功率密度至少翻倍。此外，效率可以突破99%的障碍，而BOM成本也会下降。

　　在储能系统中使用SiC技术

　　随着这些可再生技术变得越来越普遍，储能系统（ESS）也必须如此。这些系统确保产生的多余能量不会作为热量消散或闲置。ESS可以在太阳，风能或其他来源不可用时提供时间，并在电网遇到高需求时提供电力。

　　碳化硅肖特基二极管针对这些系统的高性能和高效率要求进行了优化。这些二极管通过提高开关频率来降低功率损耗并减小元件尺寸。安森美的NDSH25170A为ESS应用提供高开关性能，无反向恢复电流和出色的热性能。

　　用于WBG碳化硅和氮化镓开关转换器的栅极驱动器

　　硅开关和WBG开关之间的另一个关键区别是栅极驱动器的实现。栅极驱动器设计用于在最短的时间内将硅MOSFET的栅极推得尽可能高，以提供快速开关，并在最低和最高电阻之间快速移动开关。WBG不会改变这个设计目标，但所涉及的电压确实会改变。

　　GaN晶体管的栅极看起来像一个二极管，正向电压约为3 V，与开关的栅极电容并联。因此，虽然只需要一个低电压来保持晶体管导通，但需要稍高的电压来打开它。再次关闭时，硬开关应用中需要负电压。供应商现在提供专用栅极驱动器，例如隔离式1EDF5673K。该器件使用RC耦合栅极驱动器电路来提供导通和关断所需的电压。

　　SiC栅极驱动器通常与硅栅极驱动器类似，尽管导通电压略高。然而，更高的开关速度带来了新的挑战，例如噪声和EMI，以及寄生电感引起的过压。因此，虽然尽快切换似乎是有益的，但对栅极进行纯模拟控制可能并不总是最佳方法。Microchip的2ASC-12A1HP AgileSwitch是一款数字栅极驱动器，可在导通和关断之间步进栅极电压，从而减少过冲、振铃和关断能量。

　　编辑：黄飞