SiC 技术如何改造公共能源基础设施

在政府通过政策和激励措施支持这些相对较新的技术的情况下，公共能源基础设施及其相关的电网结构仍有许多改进和增长的机会。

重大改进的最新进展

老旧的电网结构曾经包括单向电力输送和有限的能源生产，如化石燃料、水力发电和核电站。最近在可再生能源和采集方面的进展使这一老旧电网能够扩大其发电来源（风能和太阳能），同时创造灵活的双向配电，以满足不同的需求和存储选择。

具体到太阳能，安装时通常需要逆变器将光伏 (PV) 模块产生的直流电压转换为交流电压，然后再将交流电压输送回电网。最常见的方法之一是采用组串式逆变器方案，即一串太阳能电池板产生的直流电压被馈送至 DC/DC 升压级，再馈送至 DC/AC 逆变器，然后连接到电网。

图 1 显示了典型的太阳能组串式逆变器框图，包括栅极驱动、传感和处理。这种配置的功率输送通常采用 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) 完成。

另一个具有类似高功率需求的注重环保的产业是电动汽车 (EV) 充电。电动汽车的普及速度前所未见，但遗憾的是，电动汽车的充电站却落后了。电动汽车充电的基础设施还没有完全达到在加油站加油这样的水平，而这是消费者在最小延迟的情况下放心出行所需要的。功率级为 350 kW 的直流快速充电系统（相对于较慢的交流充电系统），已被证明可以在不到 10 分钟内为车辆完全充电。

图 2 显示了一个典型的直流快速充电框图的例子，其中包含电源路径元件和相关的处理和外围设备。

事实证明，基于碳化硅 (SiC) 的元件可以为电网和电动汽车充电站等公共能源基础设施提供更好的电力输送解决方案。这种解决方案反过来可以在更好的传导损耗、漏泄电流、热管理、浪涌能力和功率密度方面提供改进。更重要的是，基于 SiC 的技术可以实现更好的整体效率，提高可靠性并减小整体占用空间。业界领先的公司如 onsemi 提供一系列 SiC 器件，因此让我们探索这些器件，并深入了解它们的一些应用。

SiC 技术 — 更好的解决方案

无论是太阳能、电动汽车充电，抑或是服务器农场的应用，都已证明 SiC 技术可以超越硅 IGBT/MOSFET 等传统硅元件和模块。但是，让我们从每个设计师都最关心的话题开始：效率。

SiC 如何提高您的效率？这涉及到许多因素，但主要在于与硅 MOSFET 相比，SiC 的优势包括更高的工作温度和频率（高达 1 MHz）、更低的传导损耗 (Vf)，以及更高的最大电压和电流额定值（漏极-源极电压高达 1,800 V，电流能力高达 100 A），这反过来又具有更高的功率效率和更少的冷却要求。

请参见图 3，了解 SiC 技术如何为高电压和大电流应用提供最高的总体功率能力。

鉴于这些 SiC 器件的导通电阻更低，而功率能力却高很多，因此基于 SiC 的解决方案可以转化为更高的运行效率。

图 4 展示了基于 SiC 的二极管和 MOSFET 串联如何通过降低高达 73% 的传导损耗来帮助提高 5-kW 升压转换器的功率效率。

由于相关电感器和电容器的尺寸要求较低，基于 SiC 的电路的占用空间通常要小得多。事实上，在某些情况下，与在相同功率级下运行的硅基电路相比，由于开关频率更高，其尺寸可减少 75%。这就是提供更高功率密度的原因。虽然 SiC MOSFET 通常比传统硅 MOSFET 贵 4 倍，但由于这些更小的电感器和电容器，整体系统成本会下降。

在组装和机械集成方面，已有证据表明，onsemi 的 PIM（如 Q0/Q1/Q2PACK 模块，包含 SiC 元件，可帮助减少整体元件数量）可简化制造工艺，降低开发风险，同时加快上市时间。 

此外，分立的非集成解决方案通常需要更多的时间来组装热管理元件，如隔离垫和散热器，同时也会带来更高的热接触不良风险。PIM 解决方案提供了更简单的组装过程，从而减少了组装时间/成本并提高了可靠性，同时由于功率密度的优势，还可以获得更紧凑的最终产品。

图 5 展示了分立解决方案与 PIM 模块组装过程的对比。

onsemi 的电源解决方案在现代 SiC 应用中的应用

onsemi 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 模块并不总是比分立元件更受青睐，应用的额定功率以及性能和成本考虑通常推动设计决策。ON Semiconductor 同时提供分立和 PIM SiC 解决方案。

图 6 显示了如何在分立或 PIM 解决方案之间进行选择。

用于 UPS、电机驱动或光伏逆变器等应用的高压辅助电源，其直流链路电压通常在 300 VDC 至 1000 VDC 之间，因此很难为显示器、风扇或加热器加入低电压辅助 PSU。但 SiC MOSFET 具有更高的阻断电压和更宽的输入电压范围，从而使系统具有更大的灵活性和能力。此外，更高的频率和更低的导通电阻导致解决方案的体积更小而功率更高，这在 SiC 的优势部分已经讨论过。但是，让我们来看看以 75 kHz 运行的 ESBC 配置的电源和以 300 kHz 运行的基于 SiC 的电源之间的直接对比。SiC 电源的尺寸更小（约一半），功率输出增加 20%，功率效率显著提高。

请参见图 7 了解尺寸和效率的对比。

onsemi 根据应用需求提供广泛的开关技术和封装类型，以及隔离驱动器。 

请参见图 8 了解 onsemi 的完整 SiC 器件产品组合。

结语

SiC 技术具有诸多优势，可以提高用于快速增长的国有公共能源基础设施行业的大功率硬件的功率效率和系统可靠性，同时降低整体系统成本和规模。 

无论是利用可再生能源的电网、电动汽车充电站，还是其他高电压/大电流应用，都应考虑 SiC 的优势。请访问 Arrow.com 浏览 onsemi 业界领先的产品组合，了解适合所有应用的各种 SiC 器件。