Wolfspeed SiC revolutioniert die Solarenergie-Infrastruktur

Weltweit entscheiden sich Gesellschaften zunehmend für erneuerbare Energiequellen, wo sie verfügbar sind. Verbraucher und Unternehmen, ob groß oder klein, betrachten Solarenergie als eine praktikable, saubere und bequeme Energiequelle. Die Gewinnung von Solarenergie mithilfe von Photovoltaik-Paneelen bietet einen skalierbaren Ansatz für erneuerbare Energien, sei es für eine kompakte Dachinstallation zu Hause oder über einem kommerziellen Bürogebäude. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Wolfspeed SiC die Infrastruktur für Solarenergie revolutioniert.

Die Bedeutung einer hocheffizienten Energieumwandlung

Die Sonnenenergie zu nutzen und in die standardmäßige Netzspannung (Wechselstrom) umzuwandeln, umfasst mehrere Schritte, von denen jeder bestimmte Verluste verursacht. Energieumwandlungsverluste treten in verschiedenen Formen auf, wie etwa Abwärme oder Spannungsabfall, doch zusammen führen sie zu einer Umwandlungsineffizienz: Man erhält weniger Energie zurück, als man ursprünglich eingebracht hat.

Das Entwerfen einer effizienten Energieumwandlungsarchitektur ist von größter Bedeutung. Um Verluste zu reduzieren, ist ein genaues Verständnis darüber erforderlich, wo diese auftreten, einschließlich I²R-Leiterverluste, Halbleiter-Leitverluste und Verluste in den zugehörigen passiven Komponenten. Wärme ist typischerweise das Ergebnis eines Energieverlusts und erfordert eine Abführung, entweder durch Kühlkörper oder erzwungene Luftkühlung, was zusätzliches Gewicht, Kosten und eine Vergrößerung des gesamten Platzbedarfs mit sich bringt. Darüber hinaus verringert der Betrieb elektronischer Komponenten bei erhöhten Temperaturen die Zuverlässigkeit des Systems, was zu teuren Ausfallzeiten und potenziellen Einnahmeverlusten führen kann.

Siliziumbasierte Halbleiter haben von Beginn an dominiert, aber der Bedarf an kompakterer, effizienterer und kostengünstigerer Energieumwandlung hat die Forschung in neue Halbleitertechnologien vorangetrieben. Im Vergleich zu Silizium arbeiten Breitbandmaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) mit höheren Schaltfrequenzen und höheren Spannungen und haben einen größeren Betriebstemperaturbereich, was zu kleineren, kompakteren Designs und einer höheren Leistungsdichte auf Systemebene führt.

Vergleich der Anwendungsfälle für Solarwechselrichter

Silizium-basierte Isolations-Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) wurden historisch als Hochleistungs-Schalttransistoren in Wechselrichtern verwendet, die in Solar- und Energiespeichersystemen eingesetzt werden. Wolfspeed's 650 V und 1200 V SiC MOSFETs sowie die dazugehörigen SiC-Dioden bieten jedoch erhebliche Vorteile, darunter eine 70%ige Reduzierung der Systemverluste, eine 80%ige Gewichtsreduzierung (bei einem 60-kW-Wechselrichter) und bis zu 15% Einsparungen bei den Systemkosten. Darüber hinaus verfügen Wolfspeed's SiC MOSFETs über branchenführende Rds(on)-Eigenschaften in Bezug auf Temperatur und weisen einen 30% geringeren maximalen Rückerholstrom im Vergleich zu Silizium-Pendants auf.

Abbildung 1 zeigt die Hocharchitektur eines 60-kW-Solarwechselrichters und Energiespeichersystems. Drei Funktionsstufen erfordern schaltende Halbleiter: einen 800-V-MPPT-Boost, einen 400-VAC-Dreiphasenwechselrichter und das 400-V-Batterielade-/Energiespeichersystem (ESS). Im Vergleich zu IGBTs führt der kombinierte Einsatz eines Wolfspeed-SiC-MOSFET und einer SiC-Diode zu einer 3%igen Verbesserung der Gesamtsystemeffizienz, was einer 70%igen Reduzierung der Systemverluste entspricht.

Abbildung 2 beschreibt die Verbesserungen in Effizienz, Leistungsdichte und Reduzierungen des Leistungsverlusts in jeder Phase. Im Beispiel arbeitet der Wolfspeed SiC-MOSFET mit 45 kHz, im Vergleich zu den 16 kHz des IGBT.

Wolfspeeds SiC-MOSFETs, wie das C3M0040120K-1200-V-Bauteil, das in der 30-kW-Boost-Stufe in Abbildung 2 verwendet wird, können mit viel höheren Schaltfrequenzen als IGBTs betrieben werden. Dadurch wird der Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kapazitätskomponenten ermöglicht, was zusätzlich dazu beiträgt, den Platzbedarf des Wechselrichters zu reduzieren. Ergänzend zu den SiC-MOSFETs bieten Wolfspeeds SiC-Dioden, wie zum Beispiel die C4D30120H, eine 1200-V-Schottky-Diode, eine effiziente Kombination. Mit Wolfspeeds SiC-MOSFETs und SiC-Dioden entworfene Wechselrichter sind bis zu 80 % leichter als IGBT-basierte Einheiten. Beispielsweise wiegt ein 60-kW-IGBT-Wechselrichter 173 kg (380,6 Pfund), im Vergleich zu 33 kg (72,6 Pfund) für einen Wechselrichter auf Basis von Siliziumkarbid von Wolfspeed. Diese Gewichtsreduktion bietet einen erheblichen Vorteil bei der Installation, da für die Montage eines IGBT-Systems ein Kran und mehrere Personen erforderlich wären. Dank der Gewichtsreduzierung werden für die Installation und Inbetriebnahme eines SiC-Wechselrichters weniger Personen benötigt, die Gesamtkosten der Implementierung sinken, und der Prozess wird deutlich effizienter.

Die Vorteile der Verwendung von Wolfspeeds SiC-MOSFETs für einen dreiphasigen 60-kW-Solarwechselrichter gelten gleichermaßen für kleinere, einphasige Wechselrichter, die in Solaranlagen für Privathaushalte eingesetzt werden. Im Wechselrichter für den privaten Bereich vereinfacht SiC das Wechselrichterdesign, und durch die reduzierten Rückgewinnungsverlusteigenschaften des Wolfspeed-SiC-MOSFETs werden über 80% weniger Verluste erreicht.

Abbildung 4 zeigt die Stufen der Maximum Power Point Tracking (MPPT) Boost-Wandlung und Inverter-Stufen eines einphasigen 7kW Wohnwechselrichters. Die Boost-Funktion ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Solarinverter-Entwicklung, da die Eingangsspannung von den Solarpanels tagsüber aufgrund wechselnder Wetterbedingungen erheblich variieren kann. Durch das Anheben der Eingangsspannung des Inverters auf eine konstante 400 V kann das System effizienter arbeiten, und der Wechselrichter liefert eine zuverlässige 220 VAC Ausgangsspannung. Der Heric-Topologie-Wechselrichter verwendet vier Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFETs, um die Verluste im Vergleich zur Verwendung von IGBT-Geräten um 17 % zu reduzieren. Die Boost-Funktion nutzt Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC Schottky-Dioden. Im Vergleich zu anderen Siliziumdioden weist die Wolfspeed-Diode eine Null-Rückwärts-Erholungsänderung auf, die ultraschnelle Schaltvorgänge ermöglicht, hat den niedrigsten Vorwärtsspannungsabfall über Temperaturkennlinie und ein temperaturunabhängiges Schaltverhalten.

Um die Entwicklung eines einphasigen Solarwechselrichters zu beschleunigen, bietet Wolfspeed ein 60-kW-Boost-Converter-Referenzdesign an. Das CRD-60DD12N-Referenzdesign beinhaltet das Schaltbild, das PCB-Layout und die Stückliste (BOM) und verwendet die Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC-MOSFETs sowie die Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC-Schottky-Dioden. Das 60-kW-Design kann bei Schaltfrequenzen von bis zu 78 kHz betrieben werden und erreicht eine Spitzenwirkungsgrad von bis zu 99,5 %.

Wolfspeed SiC Design-Ressourcen

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