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碳化硅在光伏发电逆变器上的应用案例

作者:新海燕论坛官网 发布时间:2020-12-14 08:16 点击:

  消费者、各行业及政府都在采取各项措施以增加对可再生能源的利用,这正在将和输配电系统从中心化的电网转换成更加智能化网格化的,支持本地发电的拓扑,并通过智能电网互连来平滑供需。

  根据国际能源署(IEA)2019年10月的报告,到2024年,可再生能源发电量将增长50%。这意味着全球可再生能源发电量将增加1200GW,相当于美国目前的装机量。该报告预测,可再生能源中约有60%将以太阳能光伏(PV)的形式出现。

  IEA报告还强调了分布式光伏发电系统的重要性,因为消费者,商业建筑和工业设施开始生产自己的电力。它预测,到2024年,分布式光伏发电总容量将翻一番以上,超过500GW。这意味着分布式光伏发电将占太阳能光伏总增长的近一半。

  为什么太阳能光伏发电在可再生能源容量的增长如此重要?一个明显的原因是太阳能非常容易直接利用,尤其是偏远地区或离网区域。另一个明显的原因是太阳能很多,根据计算,海平面上,每平方米每天可产生1kW电力,如果考虑诸如日/夜周期,入射角,季节性等因素,每天每平方米或可以产生6kWh电量。

  太阳能发电利用光电效应将入射光转化为电能。光子被半导体材料(例如掺杂的硅)吸收,它们的能量将电子激发出其分子或原子轨道。然后,这些电子可将其多余的能量作为热量散失并返回其轨道,或者传播到电极并形成电流。

  与所有能量转换过程一样,并非所有输入太阳能电池的能量都以首选的电形式输出。实际上,多年来,单晶硅太阳能电池的效率一直徘徊在20%至25%之间。但是,太阳能光伏发电的机会是如此巨大,以至于数十年来,研究团队一直在努力使用日益复杂的结构和材料来提高电池转换效率,如NREL的这张图所示。

  图3. 1976年至2020年全球研究太阳能电池的转换效率的进展(NREL)(此图由美国科罗拉多州国家可再生能源实验室提供)

  通常,以使用多种不同材料和更复杂,更昂贵的制造技术为代价来实现所示的更高效率。

  许多太阳能光伏设备依靠各种形式的多晶硅或硅、碲化镉或硒化铜铟镓的薄膜,转换效率在20%至30%的范围内。单元内置在模块中,这些模块是太阳能光伏发电系统的基本单元。

  20%-30%是理想状态,实际上转换效率可能会因各种原因而降低转换效率:降雨,积雪和灰尘沉积,材料老化以及环境变化,例如由于植被的生长或新建筑物的安装而增加阴影。

  因此,实际的现实是,尽管太阳能是免费的,但利用太阳能产生的电能需要仔细优化,包括转换,存储等每个阶段。提高效率的最大技术之一是逆变器的设计,该逆变器将太阳能电池阵列(或其电池存储)的直流输出转换为交流电流,以便直接消耗或通过电网传输。

  逆变器通过切换直流输入电流的极性来工作,使其接近交流输出。开关频率越高,转换效率越高。简单的开关即可产生方波输出,可以驱动负载,但是谐波会损失更多的电流。因此,逆变器需要平衡开关频率以提高效率、工作电压和功率容量,此外还需要针对最小化方波的辅助组件成本之间的进行平衡。

  碳化硅(SiC)在太阳能发电应用中比硅具有多种优势,其击穿电压是传统硅的十倍以上, SiC器件还具有比硅更低的导通电阻,栅极电荷和反向恢复电荷特性,以及更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以在比硅等效器件更高的电压,频率和电流下切换,同时更有效地管理散热。

  MOSFET在开关应用中受到青睐,因为它们是单极器件,这意味着它们不使用少数载流子。既使用多数载流子又使用少数载流子的硅双极型器件(IGBT)可以在比硅MOSFET高的电压下工作,但是由于它们在切换时需要等待电子和空穴重新结合以及耗散重组能量,因此其开关速度变慢。

  硅MOSFET广泛用于高达300V的开关应用中,高于该电压时,器件的导通电阻上升,设计者不得不转向较慢的双极器件。 SiC的高击穿电压意味着它可以用来制造比硅中可能的电压高得多的MOSFET,同时保留了低压硅器件的快速开关速度优势。开关性能也相对独立于温度,从而在系统升温时实现稳定的性能。

  由于功率转换效率与开关频率直接相关,因此,SiC既可以处理比硅更高的电压,又可以确保高转换效率所需的超高转换频率,因此实现了双赢。

  SiC的导热系数也是硅的三倍,可以在更高的温度下运行。硅在175℃左右就无法正常运行,甚至在200摄氏度时直接会变成导体。而SiC直到1000℃左右才发生这种情况。可以通过两种方式利用SiC的热特性。首先,它可以用于制造功率转换器,而该转换器所需的冷却系统要少于等效的硅系统。另外,SiC在较高温度下的稳定运行可用于空间非常宝贵的情况下制造密集的电源转换系统,例如车辆和蜂窝基站。

  这些优势在太阳能转换效率更高的功率升压电路中发挥了重要作用。该电路设计为使太阳能电池阵列的输出阻抗(随入射光的水平而变化)与逆变器所需的输入阻抗相匹配,以实现最佳的转换。

  图4:引入SiC器件以提高太阳能升压电路的效率(ON Semiconductor)

  最左图显示了成本最低的方法,该方法使用硅二极管和MOSFET。如中图所示,第一个优化方案是用SiC版本取代硅二极管,这将提高电路的功率密度和转换效率,从而降低系统成本。如右图所示,也可以用SiC等效替代硅MOSFET,这为设计人员提供了更多的开关频率选择,从而进一步提高了电路的转换效率和功率密度。

  采用熟悉的TO220和TO247封装的安森美半导体SiC肖特基二极管,额定电压和电流高达1200V和20A。它还为模块制造商提供裸芯片,额定电压和电流高达1200V和50A。

  该公司还销售混合模块,该模块将硅IGBT和SiC二极管结合在一起,例如功率集成模块(PIM)。它具有双升压特性,包括了两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管。另外两个25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌电流,并且该模块还带有热敏电阻保护。

  对于那些想要在太阳能光伏装置中利用SiC的人,安森美半导体还开发了一系列两通道或三通道的SiC升压模块,用于太阳能逆变器。

  SiC功率器件比硅替代品具有许多优势,包括其切换高压的能力以及高速,低损耗和良好热性能的电流。尽管目前它们在同类基础上可能比硅产品更贵(如果可以使用硅替代产品),但它们在系统内的良好性能可以带来总成本的节省,例如散热成本,面积成本等。然后是效率问题,如果部署SiC可以提高2%的效率,那将产生额外的10GW电能。

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  86 MiniGate™是一款先进的CMOS高速2输入异或门,占用空间极小。器件输入与TTL型输入阈值兼容,输出具有完整的5.0 V CMOS电平输出摆幅。无论电源电压如何,当施加高达7.0伏的电压时,NLU1GT86输入和输出结构都能提供保护。 特性 高速:t PD = 3.1 ns(典型值)V CC = 5.0 V 低功耗:I CC =1μA(Max),TA = 25°C TTL兼容输入:V IL = 0.8 V; V IH = 2.0 V 输入时提供断电保护 平衡传播延迟 超小无铅封装 应用 ASIC FixesSimplified PCB RoutingGlue LogicSystem IntegrationVoltage Translation 电路图、引脚图和封装图...

  6 MiniGate™是一款先进的高速CMOS 2输入异或门,占用空间极小。无论电源电压如何,当施加高达7.0伏的电压时,NLU1G86输入和输出结构都能提供保护。 特性 高速:t PD = 3.5 ns(典型值)VCC = 5.0 V 低功耗:I CC =1μA(Max),TA = 25°C 断电保护提供输入 平衡传播延迟 过压容差(OVT)输入和输出引脚 超小Pb免费套餐 应用 ASIC FixesSimplified PCB RoutingGlue LogicSystem IntegrationVoltage Translation 电路图、引脚图和封装图...

  2 MiniGate™是一款先进的高速CMOS 2输入或门,占用空间极小。无论电源电压如何,当施加高达7.0伏的电压时,NLU1G32输入和输出结构都能提供保护。 特性 高速:t PD = 3.7 ns(典型值)VCC = 5.0 V 低功耗:I CC =1μA(Max),TA = 25°C 断电保护提供输入 输入时提供断电保护 过压容差(OVT)输入和输出引脚 超小型无铅封装 应用 ASIC FixesSimplified PCB RoutingGlue LogicSystem IntegrationVoltage Translation 电路图、引脚图和封装图...

  78A是一款4位可配置双电源双向自动感应转换器,不需要方向控制引脚。 V CC I / O和V L I / O端口设计用于跟踪两个不同的电源轨,V CC 和V L 。 V CC 电源轨可配置为1.65V至5.5V,而V L 电源轨可配置为1.65V至5.5V。这允许V L 侧的电压逻辑信号在V CC 侧转换为更低,更高或相等值的电压逻辑信号,反之亦然。 NLSX4378A转换器在I / O线K欧姆上拉电阻。集成的上拉电阻用于将I / O线上拉至V L 或V CC 。 NLSX4378非常适合开漏应用,例如I 2 C通信总线。 特性 优势 宽VCC工作范围:1.65V至5.5V 宽VL工作范围:1.65V至5.5V 允许连接多个电压系统 高速,24 Mb / s保证数据速率 最大限度地减少系统延迟 低位偏移 适合差异信号传输 小型包装 - 2.02 x 1.54mm uBump12 节省物理空间解决方案 应用 终端产 I2C,SMBus,PMBus 低压ASIC级别转换 手机,PDA,相机 电路图、引脚图和封装图...

  01是一款1位可配置双电源双向自适应传感转换器,不需要方向控制引脚.I / O VCC和I / O VL端口分别用于跟踪两个不同的电源轨,VCC和VL 。 VCC和VLsupply轨道均可配置为1.5 V至5.5 V.这样,VL侧的电压逻辑信号可在VCC侧转换为更低,更高的等值电压逻辑信号,反之亦然.NLSX4401转换器已集成I / O线 k上拉电阻。集成的上拉电阻用于将I / O线上拉至VL或VCC。 NLSX4401非常适合开放式应用,如I2C通信总线。 特性 VL可以小于,大于或等于VCC 宽VCC工作范围:1.5 V至5.5 V 宽VL工作范围:1.5 V至5.5 V 高速,24 Mb / s保证日期速率 低位偏斜 启用输入和I / O引脚是过压容差(OVT)以使能输入和I / O引脚是过压容差(OVT)至5.5 V 非优先通电排序 断电保护 应用 终端产品 I2C,SMBus,PMBus 低压ASIC级别转换 手机,相机,消费品 电路图、引脚图和封装图...

  125 MiniGate™是一款先进的CMOS高速非反相缓冲器,占用空间极小。 NLU1GT125要求将3状态控制输入()设置为高,以将输出置于高阻态。器件输入与TTL型输入阈值兼容,输出具有完整的5.0 V CMOS电平输出摆幅。无论电源电压如何,当施加高达7.0伏的电压时,NLU1GT125输入和输出结构都能提供保护。 特性 高速:t PD = 3.8 ns(典型值)V CC = 5.0 V 低功耗:I CC =1μA(Max),TA = 25°C TTL兼容输入:V IL = 0.8 V; V IH = 2.0 V 输入时提供断电保护 平衡传播延迟 超小无铅封装 应用 ASIC FixesSimplified PCB RoutingGlue LogicSystem IntegrationVoltage Translation 电路图、引脚图和封装图...

  FSA839 低压 带关断隔功能的0.8Ω单刀双掷(SPDT)模拟开关

  是高性能的单刀双掷(SPDT)模拟开关,用于由低电压(1.8V)基带处理器或ASIC驱动的音频应用。该器件在V CC = 4.5 V时具有0.8Ω(最大值)的超低R ON ,可在1.65V到5.5V的宽V CC 范围内工作。该器件采用亚微米CMOS FSA839在低电压ASIC和常规的音频放大器之间连接,CODEC在高达5.5V的工作电压范围内运行。控制电路允许控制引脚(Sel)上提供1.8V(典型值)信号。 应用 多媒体平板电脑 存储和外设 手机 WLAN网卡和宽带接入 PMP / MP3播放器 电路图、引脚图和封装图...

  NXH240B120H3Q1 功率集成模块(PIM)3通道1200 V IGBT + SiC升压 80 A IGBT和20 A SiC二极管

  B120H3Q1PG是一款3通道1200 V IGBT + SiC Boost模块。每个通道包括一个快速开关80 A IGBT,一个20 A SiC二极管,一个旁路二极管和一个IGBT保护二极管。该模块具有内置热敏电阻并具有压配销。 特性 优势 1200 V快速开关IGBT 降低IGBT的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 1200 SiC二极管 降低二极管的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 低Vf旁路二极管 提高旁路模式的效率 压合销 无焊接安装 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 分散式公用事业规模太阳能逆变器 商业串式逆变器 电路图、引脚图和封装图...

  NXH80B120H2Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 40 A IGBT + 1200 V 15 A SiC二极管

  120H2Q0SG是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 2.2 V,ESW = 2180 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.4 V 用于高速切换的SiC二极管 可焊接引脚 轻松安装 双升压40 A / 1200 V IGBT + SiC整流器混合模块 热敏电阻 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 太阳能逆变器 UPS 电路图、引脚图和封装图...

  NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

  B120H3Q0是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个50A / 1200V IGBT,两个20A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 1.77 V,ESW = 2200 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.44 V 用于高速开关的SiC二极管 焊针和压合销选项 灵活安装 应用 终端产品 MPPT提升阶段 Bat tery Charger Boost Stage 太阳能逆变器 储能系统 电路图、引脚图和封装图...

  一种快速,可靠的的安装方式。 特性 高效率 低传导损耗和开关损耗 高速场截止IGBT SiC SBD用作升压二极管 内置NTC可实现温度监控 电路图、引脚图和封装图

  NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

  低压差(LDO)线性稳压器将在固定输出电压下提供1.5 A电流。快速环路响应和低压差使该稳压器非常适用于低电压和良好负载瞬态响应非常重要的应用。器件保护包括电流限制,短路保护和热关断。 NCP566采用SOT-223封装。 特性 超快速瞬态响应(

  NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

  4是一款30A POL,适用于在小型电路板占板面积内要求高效率的应用。该器件将DC / DC控制器与两个高效mosfet集成在一个采用热增强型5mm x 6mm QFN封装的信号中。它采用获得专利的增强型斜坡脉冲调制控制架构,可提供超快的负载瞬变,从而减少外部电容和/或提供更好的瞬态容差。与传统的恒定时间控制器相比,新架构还改进了负载调节。 特性 优势 效率高 减少电力损失 快速装载瞬态 减少输出电容的数量 频率选择 优化效率和输出滤波器尺寸的权衡 0.6%准确参考 允许非常精确的输出电压 远程感知 提供准确的输出电压 启用输入和电力良好指标 二手用于控制排序 可调节电流限制 低电流设计的灵活性 可调节软启动 允许控制开启坡道 热增强型QFN封装 改善散热 指定-40C至125C 应用 终端产品 服务器 网络 电信 ASICs servere 存储 网络 电路图、引脚图和封装图...

  3是一款20A降压转换器(内置MOSFET),工作电压范围为3V至21V,无需外部偏置。该固定式变频器具有高效率,可调节输出以提供低至0.6V的电压。可调电流限制允许器件用于多个电流水平。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,高效电压模式同步降压转换器,工作电压为3 V至21 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围为3V至21V 允许同一器件用于3.3V,5V和12V母线MHz开关频率 用户可选择的选项,允许在效率和解决方案尺寸之间进行优化权衡 无损耗低侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 低压输出以适应低压核心 外部可编程软启动 降低浪涌电流并防止启动时出现无根据的过电流 预偏置启动 防止反向电流流动 所有故障的打嗝模式操作 如果故障情况消除,则允许重新启动 可调输出电压 灵活性 可调节电流限制 优化过流条件。允许较低饱和电流的较小电感器用于较低电流应用 输出过压保护和欠压电压保护 应用 终端产品 高电流POL应用 AS...

  1A是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出o电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  1B是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 1MHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出ove r电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  1是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低 - 侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出过压保护和欠压保护 使用热敏电阻或传感器进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电力良好输出 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...

  2是一款低输入电压,6 A同步降压转换器,集成了30mΩ高侧和低侧MOSFET。 NCP1592专为空间敏感和高效应用而设计。主要特性包括:高性能电压误差放大器,欠压锁定电路,防止启动直到输入电压达到3 V,内部或外部可编程软启动电路,以限制浪涌电流,以及电源良好的输出监控信号。 NCP1592采用耐热增强型28引脚TSSOP封装。 特性 30mΩ,12 A峰值MOSFET开关,可在6 A连续输出源或接收器处实现高效率电流 可调节输出电压低至0.891 V,准确度为1.0% 宽PWM频率:固定350 kHz,550 kHz或可调280 kHz至700 kHz 应用 终端产品 低压,高密度分布式电源系统 FPGA 微处理器 ASICs 便携式计算机/笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...

  NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

  C转换器采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,可提供高达30 A的电流。 特性 优势 效率高 降低功耗并减少散热问题 4.5 V至18 V输入范围 允许使用5 V或12 V母线进行操作 综合mosfets 简化设计并提高可靠性 可调节软启动时序,输出电压 设计灵活性 过压,欠压和过流保护 安全启动到预偏置输出 应用 终端产品 高电流POL应用 为asics,fpga和DSP供电 基站 服务器和存储 网络 电路图、引脚图和封装图...

  NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器

  5是一款带内部MOSFET的15 A DC / DC转换器,设计灵活。该器件可提供低至0.6V至输入电压80%以上的可调输出电压。功能包括可调电流限制,输出电压和软启动时序。引脚可选功能可实现550 kHz或1 MHz的开关频率,选择DCM / CCM工作模式,以及在过流期间锁定或打嗝模式的能力。该器件可配置为在超声模式下工作,以避开音频带。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm TQFN封装。 特性 优势 准确0.6 V参考 可调输出以设置所需电压低至0.6 V DCM / CCM可选择选项 在不连续模式下操作以在轻负载下提高效率 550kHz / 1.1MHz开关频率 选择更高效率或更小输出滤波器的设计灵活性 超声波模式 保持电容器不发出声音 热增强型QFN封装 3个裸露焊盘散布更高 4.5 V至21 V的宽工作范围 允许跨多个应用程序使用 可调软启动 允许在通电期间平稳上升 应用 终端产品 计算/服务器 数据通信/网络 FGPA,ASIC,DSP电源 12 V负载点 桌面 服务器 网络 电路图、引脚图和封装图...

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