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借助 SiC 技术,实现三大设计自由

关键词:SiC 技术 电动汽车 逆变器

时间:2022-04-28 10:35:28      来源:AVNET

尽管 SiC 技术的性能和潜力毋庸置疑,但一些设计人员最初可能仍然会犹豫不决,无法下定决心使用 SiC 技术来处理新项目。

作者:Milan Ivkovic

尽管 SiC 技术的性能和潜力毋庸置疑,但一些设计人员最初可能仍然会犹豫不决,无法下定决心使用 SiC 技术来处理新项目。

没人喜欢无端冒险。但与其他任何电子设计项目一样,我们首先需要充分了解可用解决方案的要求和潜力。之后设计人员便会发现,通过 SiC 实现的设计自由能够降低所有可知的风险。

随着 SiC 技术进入更多市场领域,设计人员可以实现一些新的自由,这些自由令人振奋,值得探索。其中包括简化电路拓扑、缩小系统尺寸和提高能量密度。

首先我们来介绍一下背景:与 Si-IGBT 和 Si-MOSFET 相比,SiC MOSFET 电源系统能够显著降低系统成本,提高功率密度,改善效率,还可以通过降低能耗控制运行温度。深入了解 SiC 的优势之后,设计人员感到颇为振奋。

当前,设计人员开始采用基于 SiC 的技术,以便保持竞争力,降低长期系统成本。这涉及到多方面的原因,包括:

· 降低总体持有成本:基于 SiC 的设计尽管需要前期投资,但能效更高,系统尺寸更小,可靠性也更高,因此能够显著降低系统成本。
· 解决设计难题:由于 SiC 的特性,设计人员开发的设备可以缩小尺寸,降低运行温度,提高开关速度,同时承受更高的工作电压。
· 提高可靠性,改善性能:通过缩小设备尺寸,降低运行温度,设计人员获得了更大的自由,可以探索更具创新性的设计选项,轻松满足市场需求。

接下来我们将对一些关键的设计自由进行详细的探讨。.

简单、高效的拓扑

SiC 支持简单的拓扑结构,能够帮助设计人员高效完成工作,满足了市场对高效功率密集型 DC/DC 和逆变器日益增长的需求。

SiC 可以用两电平拓扑代替三电平拓扑,降低了参数控制难度,占用的空间更小,释放的热量也更少。

在功率因数校正 (PFC) 阶段硬开关拓扑中,简单的升压(使用 SiC 二极管)和图腾柱配置即可降低 SiC 的恢复损耗。若要使用Si-MOSFET达到相同的效率则需要更复杂的拓扑结构和数字控制。

SiC 可以在多电平拓扑中与 Si 结合,从而提高性价比。以下是用于太阳能或储能逆变器的改进型三电平有源中点钳位 (ANPC) 拓扑示例:

系统尺寸缩小

设计人员永远面临的压力,是需要在更小的空间内完成更多任务。值得庆幸的是,SiC 设计体积更小,重量更轻,并且可以支持更高效的逆变器和存储系统。

伺服驱动便是极佳例子。用于物体定位的伺服电机需要迅速响应,以便提高操作速度。因此,脉宽调制 (PWM) 频率提高后,可以改善伺服系统的动态性能。这便需要使用快速 IGBT 或 SiC 作为伺服驱动逆变器级的开关。

利用 SiC,设计人员可以设计出尺寸更小的驱动器,其中很多都不需要主动冷却。获得这种自由后,设计人员可以将驱动器直接安装在电机上。此外,设计人员还可以将 DC 总线直接连接到电机,从而显著降低电磁噪声。

储能功能增强

如今,能源消费者也正在成为活跃的电力生产者。SiC 支持双向功率流,能够促成这种转变。

数十年来,储能一直是发电、输电、配电和电力消耗过程中不可或缺的一环。当前,可再生能源发电领域发展迅速,需要更加可靠的电力传输,确保按时将电力输送到相应地点.。

储能系统提供了一系列技术方法,可用于管理能源供需,创建灵活的能源基础设施,帮助公用事业公司和消费者节约成本。

在电动汽车 (EV) 和太阳能充电领域,我们看到了 SiC 支持的双向功率流所存在的强大优势。例如,电动汽车和太阳能系统用户充满电后,可以将部分电力出售给公用事业公司。一些 SiC 拓扑可以实现更好的双向流动,改善储能系统。

下图展示了太阳能逆变器中 SiC 与 Si 的功率密度对比。

主要优势:Si ➝ Si / SiC 所带来的的功率密度提升

数据手册:

· Si 逆变器 75kW
· Si / SiC 逆变器 150 kW

优势:

· 显著提高功率密度
· 在冷却和重量方面降低成本

特点:

· 6 x IFX Easy2B ANPC 模块
· 26 x IFX EiceDrivers 1ED-F2

结语:SiC 相对于 Si 所具有的优势

能量损耗降低 50%
系统尺寸缩小 10 倍
工作频率提高 100 倍
快速开关功能
高电压操作

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