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　　如今，人們對能源生產和消費的更加關注，將焦點牢牢地放在了可再生能源解決方案上。與氣候變化相關的挑戰，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系。

　　變化一直在發生。在過去十年中，美國關閉了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，科學家們表示，它不會實現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-這是巴黎氣候協議最雄心勃勃的目標。

　　因此，該行業一直專注于可再生能源，以實現凈零排放。正在取得進展，國際能源署（IEA）報告稱，2020年第一季度全球發電量的28%來自可再生能源，比2019年同期增長2%。雖然COVID-19大流行擾亂了供應鏈并使一些項目暫停，但太陽能光伏（PV）和風能等可再生能源項目仍在繼續增長。

　　當然，可再生能源的挑戰之一是發電和需求之間的脫節。儲能系統（ESS）對于彌合這一差距越來越重要，從并網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）數量的增加，它們越來越多地被視為能源結構的一部分。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電網的驟降，甚至為家庭供電。

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　　寬帶隙：可再生能源的關鍵組成部分

　　幾十年來，MOSFET和IGBT等硅技術一直是功率逆變器的主要開關解決方案。自推出以來，這兩種器件類型的設計都在不斷改進，以降低開關轉換器的損耗，從而能夠構建更高效的功率轉換拓撲。這種方法可以被認為是成功的，轉換器通常達到95%以上的峰值效率，功率因數校正（PFC）設計破解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）技術已經廣為人知，提供碳化硅（SiC）MOSFET和氮化鎵（GaN）晶體管的供應商數量穩步增長。然而，由于各種原因，設計工程師自然會猶豫不決。

　　目前的設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習曲線。WBG交換機的功能與硅交換機不同，不僅僅是直接替代品。電源轉換器需要重新設計，以便在更高的開關頻率下工作，以獲得全部優勢，這在布局和滿足EMC/EMI要求方面帶來了許多新的挑戰。

　　仔細研究風能發電中的碳化硅與IGBT對比

　　SiC MOSFET被推廣為使用IGBT的現有設計的絕佳替代品。IGBT一直是大型光伏逆變器和風力渦輪機>1000 V應用的支柱，提供中速開關。然而，由于熱管理挑戰，最終應用受到影響，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時的導通開關損耗低于IGBT，后者隨著溫度的升高而下降。

　　關斷損耗也更低，在工作溫度升高時略有上升，比眾所周知的IGBT中少數載流子積累引起的尾電流有所改善。導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的導通、關斷和傳導損耗較低，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。

　　海上風力渦輪機對可靠性提出了很高的要求，以在其生命周期內控制其運營成本，但也為設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換器（VSC），由用于低壓側的三相兩電平整流器和三相三電平中性點鉗位（NPC）逆變器組成。對于460 V、240 kW設計，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）可以提供比硅對應物顯著的優勢。漏源電荷QOSS要低得多，從而顯著降低開關期間的損耗，導通電阻也是如此。此外，它們還支持明顯更高的開關頻率。與SiC一樣，這意味著設計工程師可以在其設計中減小無源元件的尺寸。

　　用于家庭和商業建筑的小型光伏正變得越來越流行。光伏使消費者和商業用戶能夠為電動汽車充電，并滿足部分（有時是全部）電力消費需求。單相應用適用于組串式逆變器，其中光伏板串聯以產生直流電壓。雖然這些面板多年來有所改進，但它們的效率約為20%。因此，確保將面板電壓轉換為線路輸出或直流電源以為本地儲能系統（ESS）充電時具有盡可能高的效率至關重要。

　　組串配置非常適合基于650 V GaN的設計。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（SoC）控制，該微控制器或片上系統（SoC）還處理最大功率點跟蹤（MPPT）。輸出饋送直流母線大容量電容器，DC/DC轉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現98%的峰值效率，工作在15 kHz至30 kHz的開關速度下。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需要反并聯二極管，這總共都有助于空間要求、物料清單（BOM）和成本。

　　轉向Nexperia的GaN FET技術，例如GAN041-650WSB，可將開關頻率推至100 kHz至300 kHz之間。在此工作點，輸出濾波器變得更小，而輸出信號的保真度導致諧波失真減少。這些改進貫穿整個設計，以提供更小、更輕的設計，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。

　　在儲能系統中使用SiC技術

　　隨著這些可再生技術變得越來越普遍，儲能系統（ESS）也必須如此。這些系統確保產生的多余能量不會作為熱量消散或閑置。ESS可以在太陽，風能或其他來源不可用時提供時間，并在電網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的高性能和高效率要求進行了優化。這些二極管通過提高開關頻率來降低功率損耗并減小元件尺寸。安森美的NDSH25170A為ESS應用提供高開關性能，無反向恢復電流和出色的熱性能。

　　用于WBG碳化硅和氮化鎵開關轉換器的柵極驅動器

　　硅開關和WBG開關之間的另一個關鍵區別是柵極驅動器的實現。柵極驅動器設計用于在最短的時間內將硅MOSFET的柵極推得盡可能高，以提供快速開關，并在最低和最高電阻之間快速移動開關。WBG不會改變這個設計目標，但所涉及的電壓確實會改變。

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

　　SiC柵極驅動器通常與硅柵極驅動器類似，盡管導通電壓略高。然而，更高的開關速度帶來了新的挑戰，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是一款數字柵極驅動器，可在導通和關斷之間步進柵極電壓，從而減少過沖、振鈴和關斷能量。

　　編輯：黃飛