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对于电源管理来说,碳化硅到底比硅强了多少?

关键词:电源管理 碳化硅 MOSFET

时间:2020-12-08 10:23:08      来源:网络

诸如太阳能和风力发电之类的创新技术正在加速取代传统燃料为基础的电厂,并且由于储能和收集方法的改善,从而节省了大量成本,已经超过了昂贵的“发电厂”。

诸如太阳能和风力发电之类的创新技术正在加速取代传统燃料为基础的电厂,并且由于储能和收集方法的改善,从而节省了大量成本,已经超过了昂贵的“发电厂”。

在政府通过政策和激励措施支持新能源的前提下,公共能源基础设施及其相关的电网结构有许多改善和增长的机会。

最新进展

较旧的电网结构包括单向电力输送和有限的能源发电,例如化石燃料,水力发电和核电站。可再生能源的产生和收集方面最新进展是使同一个电网可以扩展其发电资源(风能和太阳能),同时可以创建灵活的双向分配方式,以满足不同的需求和存储选择。

具体地说,对于太阳能而言,通常需要使用逆变器,这些逆变器将光伏(PV)模块产生的直流电压转换为交流电压,然后再传递回电网。最常见的方法之一是通过串式逆变器方案,其中将来自太阳能电池板的DC电压馈入DC/DC升压,然后进入DC / AC逆变器,然后连接到电网。

图1显示了典型的太阳能串逆变器框图,其中包括栅极驱动,电流感测和处理。通常使用IGBT,高压FET以及更常见的包含集成IGBT和二极管的功率集成模块(PIM)来完成此配置的功率传输。


图1:太阳能串逆变器框图

电动汽车充电则是另一个具有类似大功率需求的行业。电动汽车以前所未有的速度越来越受欢迎。不幸的是,他们的充电站一直落后。电动汽车充电的基础设施还没有达到加油站那样的可用性,同时充电时间也远大于加油时间。以350 kW的功率水平运行的DC快速充电系统可以在不到10分钟的时间内为车辆充满电。

图2显示了一个典型的DC快速充电框图的示例,其中包含电源路径组件以及相关的处理和外围设备。


图2:EV充电站的DC快速充电框图

事实证明,基于碳化硅(SiC)的组件可以为公共能源基础设施(例如,电网和EV充电站)提供更好的电力传输解决方案。反过来,这样的解决方案可以在更好的传导损耗,泄漏电流,热管理,浪涌容量和功率密度方面提供改进。此外,基于SiC的技术可提高整体效率,并提高可靠性及减小整体占地面积。安森美半导体等行业领先的公司提供了一系列SiC器件,因此让我们探究这些器件并深入研究其某些应用。

SiC技术为什么是更好的解决方案

无论是太阳能,电动汽车充电,还是服务器应用,都表明SiC技术可以胜过传统的硅器件和模块,例如硅IGBT / MOSFET。但是,让我们从一个跳到每个设计师的脑海中的话题开始:效率。

SiC如何提高效率?涉及许多因素,但主要是,SiC的优势包括在较低的传导损耗(Vf)下具有较高的工作温度和频率(最高1 MHz),以及较高的电压和额定电流(高达1800 V的电压和100A的电流),与硅MOSFET相比,又可以提供更高的电源效率和更少的散热设计。

有关SiC技术如何为高压和大电流应用提供某些最高总体功率的功能,请参见图3。


图3:大功率晶体管的功率容量与开关频率的关系

鉴于这些SiC器件的导通电阻较低,而功率能力则更高,基于SiC的解决方案可转化为更高的工作效率。

图4展示了串联的SiC基二极管和MOSFET,在典型的5kW升压转换器应用时,传导损耗降低多达73%。


图4:在5kW升压转换器中使用SiC组件实现更高功率效率的示例

由于对相关电感器和电容器的尺寸要求较低,因此基于SiC的电路的占地面积通常要小得多。实际上,在某些情况下,由于具有更高的开关频率,它的尺寸要小75%。因此可以提供更高的功率密度。尽管SiC MOSFET通常比传统的硅MOSFET贵4倍,但是由于这些较小的电感器和电容器,整个系统的成本下降了,同时减少了总面积。

在产品组装和机械集成方面,事实证明,ON Semconductor的PIM(例如Q0 / Q1 / Q2PACK模块,其中集成了SiC器件以帮助减少周边系统开发)简化了制造过程并降低了开发风险,同时允许加快上市时间。

另外,分立的非集成式解决方案通常需要更多的时间来设计安装散热系统,例如隔离垫和散热器,同时还带来了不良的热接触风险。PIM解决方案可简化装配过程,从而减少时间/成本并提高可靠性,同时由于功率密度方面的优势,还可以使最终产品更紧凑。

图5展示了离散解决方案与PIM模块组装过程的比较。


图5:分立解决方案与安森美半导体PIM解决方案之间的组装比较

安森美半导体的SiC电源解决方案

安森美半导体的PIM模块可提供更快的开关速度,更高的功率效率和更高的功率密度,这些解决方案还可以降低系统成本和尺寸,但这还不是全部。 PIM模块并非总是比分立组件更受青睐,主要是基于应用的额定功率以及性能和成本方面的考虑。因此安森美半导体提供分立和PIM SiC两种解决方案。

图6显示了如何在离散解决方案或PIM解决方案之间进行选择。


图6:何时使用分立式或模块式解决方案

用于UPS,电动机驱动或光伏逆变器等应用的高压辅助电源通常具有300 VDC至1000 VDC的直流母线电压,这使其很难为显示器,风扇或加热器集成低压辅助电源。但是SiC MOSFET具有更高的阻断电压和更宽的输入电压范围,从而具有更大的系统灵活性和功能。此外,如SiC优势部分所述,更高的频率和更低的导通电阻会导致更小,更高功率密度的解决方案。但是,让我们看一下以75 kHz运行的ESBC配置电源和以300 kHz运行的SiC电源之间的直接比较。SiC电源的尺寸更小(约一半),功率输出增加20%,并且效率明显提高。

有关尺寸和效率的比较,请参见图7。


图7:高压SiC与ESBC的比较

安森美半导体根据应用的不同提供各种开关技术和封装类型,以及隔离的驱动器。

关于安森美半导体完整的SiC器件产品组合,请参见图8。


图8:安森美半导体SiC产品组合

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