Siliziumkarbid zieht grüne Alternativen in einen positiven Kreislauf
Das grüne Bewusstsein und die Vorschriften, die den Markt für Elektrofahrzeuge (EV) vorantreiben, haben Innovationen in der Batterietechnologie und Siliziumkarbid-basierten Designs gefördert, um die Erzeugung grüner Energie zu transformieren. Der Ausbau erneuerbarer Energien ist jetzt von entscheidender Bedeutung. Die zunehmende Klima-Variabilität, kurzfristige Probleme in der fossilen Brennstoff-Lieferkette sowie langfristig begrenzte fossile Brennstoffressourcen angesichts einer stetig steigenden Energienachfrage haben das Gleichgewicht zugunsten regionaler grüner Energiequellen verschoben. Eine signifikante Erhöhung der Rendite (ROI) bei erneuerbaren Energien, insbesondere Solar- und Windenergie, bedeutet, die Effizienz, Kapazität, Energiedichte und Kosteneffektivität von Energiespeichersystemen (ESS) zu steigern. Und Lösungen sind jetzt verfügbar, um all diese Ziele zu erreichen, dank der Innovationen in der Batterietechnologie und Siliziumkarbid-Geräten, die durch den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge (EV) beschleunigt wurden.
Sonne strahlt auf solaren Erfolg
Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass die Kapazität erneuerbarer Energien im Jahr 2022 um 8 % steigen wird und die Marke von 300 GW überschreiten wird. Laut der Agentur führt die Solar-Photovoltaik (PV) die Renaissance der erneuerbaren Energien an und wird für 60 % dieses Wachstums der globalen Kapazität erneuerbarer Energien verantwortlich sein. Hinter diesem Wachstum stehen mehrere Gründe, darunter die schrittweise Lösung einiger Herausforderungen.
- Solarmodule und zugehörige Elektronik sind effizienter geworden und haben gleichzeitig geringere Kosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen erreicht – und dies in einem schnelleren Tempo als Wind- und Wasserkraft. Regierungen weltweit bauen darauf durch kommerzielle Anreize und regulatorische Unterstützung auf.
- Die charakteristische Unregelmäßigkeit der Energieerzeugung aus Wind und Solar, verschärft durch Klimavariabilität2, kann durch den Einsatz von Energiespeichersystemen (ESS) gemildert werden. Fortschritte in der Batterietechnologie bieten Kapazitätserweiterung und niedrigere Kosten, während auf Siliziumkarbid basiertes Design diese Systeme effizienter macht.
- Ein wesentlicher Vorteil von Solar-PV ist seine breite Skalierbarkeit, von wenigen Kilowatt in Wohnanwendungen bis hin zu Megawatt in Solarparks im Versorgungsmaßstab. Im Gegensatz zu Wind- und Wasserkraft, die am rentabelsten bei sehr hoher Leistung und teuren Investitionen im Versorgungsmaßstab sind, passt Solarenergie zu einer Vielzahl von Systemkonfigurationen.
Übersicht des Panels zum ESS-System
Solararchitekturen unterteilen sich im Allgemeinen in drei Konfigurationen. Auf Wohnebene unterstützen Mikro-Wechselrichter Blockgruppierungen aus 1-4 Solarmodulen. Strangwechselrichter aggregieren Modulcluster von einigen Kilowatt bis etwa 50 kW. Von 50 kW bis 200 kW werden Stränge integriert, um gewerbliche und industrielle Installationen zu bedienen. Versorgungsanlagen im Megawatt-Bereich haben bislang große zentrale Systeme verwendet, entscheiden sich jedoch zunehmend für verteilte, strangbasierte Topologien, um die Installationszeit und -kosten sowie die Auswirkungen von Punktfehlern und die gesamten Wartungskosten zu reduzieren.
Der Maximum Power Point Tracker (MPPT), ein DC-DC-Wandler, nimmt die variable Spannung aus der Panelanordnung auf und stellt eine konstante höhere Spannung für den internen Bus bereit (Abbildung 1). Der stabilere Gleichstrom wird anschließend vom Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt. In ESS-Implementierungen fungiert ein bidirektionaler DC-DC-Wandler als Batterieladegerät. Sollte das ESS vom Netz geladen werden müssen, muss auch der Wechselrichter bidirektional sein.
Eine Übersicht über das Panel-zu-Grid-System
Abbildung 1
Technologie-Boost durch Siliziumkarbid
Siliziumkarbid eignet sich für diese Anwendung sowohl im niedrigen Leistungsbereich von 1 kW als auch in Konfigurationen von über 1 MW, in der Boost/MPPT DC-DC-Schaltung, dem bidirektionalen Wechselrichter oder Active Front End (AFE) sowie in der bidirektionalen DC-DC-Schaltung im Lade-/Entladekreis des ESS. Dabei bietet es zahlreiche Vorteile gegenüber Silizium:
- 3-mal höhere Schaltfrequenz in den meisten Anwendungen
- ~2 % Verbesserung der Systemeffizienz oder ~40 % geringere Verluste
- Bis zu 50 % höhere Leistungsdichte (3-mal kleiner, 10-mal leichter)
- Kleinere Passivbauteile und Kühlkörper
- Reduzierte Gesamtkosten für das System-BOM
Obwohl Siliziumkarbid-Schottky-Dioden seit langem im MPPT-Boost-Schaltkreis eingesetzt werden, um die Effizienz zu steigern, gibt es mittlerweile eine breitere Akzeptanz für vollständige Siliziumkarbid-Implementierungen mit MOSFETs. Zum Beispiel bietet das CRD-60DD12N-Referenzdesign mit 15 kW Leistung und vier Kanälen von Wolfspeed für Boost-Wandler eine Energieeffizienz von 99,5 % und Schaltvorgänge bei 78 kHz. Im Vergleich zu dem, was mit Silizium erzielt werden kann, liefert dieses Design 1–2 % höhere Energieeffizienz beziehungsweise etwa 70 % weniger Verluste, eine dreifache Leistungsdichte und eine zehnfache Gewichtsreduzierung. All diese Leistung zu niedrigeren Systemimplementierungskosten.
Siliziumkarbid hat eine ähnliche Auswirkung auf den AFE-Bereich. Eine Implementierung mit sechs Schaltern aus Silizium-IGBT wird häufig aufgrund ihrer relativ niedrigen Kosten und Einfachheit verwendet (Abbildung 2). Ihre Schaltfrequenz ist jedoch auf maximal etwa 20 kHz begrenzt und bei hohen Leistungspegeln deutlich darunter. Mehrstufige Topologien, die Silizium-Super-Junction-(SJ)-Bauelemente nutzen, ermöglichen es Entwicklern, die benötigten hohen Spannungspegel mit hoher Schaltfrequenz und guter Systemeffizienz zu erreichen, allerdings nur auf Kosten komplexer Steuerung und einer deutlich höheren Bauteileanzahl sowie höheren BOM-Kosten, die durch zusätzliche Schalter sowie zugehörige Treiber hervorgerufen werden. Dies wurde durch Wolfspeeds CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE-Referenzdesign demonstriert.
Siliziumkarbid ermöglicht ein einfacheres, effizienteres und kostengünstigeres AFE-Design.
Abbildung 2
Im ESS-Bereich hat der EV-Markt den Trend der Batteriespeicherung beeinflusst, indem die Verwendung von Batteriepaketen von 200 V ermöglicht wurde und möglicherweise in Richtung 800-1000 V geht. Diese hohen Spannungen erfordern Hochspannungsgeräte im bidirektionalen DC-DC-Wandler. Designer haben häufig gängige 650-V-SJ-Geräte in komplexen, mehrstufigen resonanten Topologien verwendet, bei denen Silizium das Schalten auf einen Bereich von 80 kHz bis 120 kHz beschränkt. Stattdessen können einfachere vollständige Siliziumkarbid-Implementierungen, wie der CRD-22DD12N 22-kW bidirektionale DC-DC-Lader, resonante Frequenzen von etwa 200 kHz mit weniger Komponenten und reduzierten Gesamtsystemkosten erreichen.
Die Kombination des bidirektionalen AFE und DC-DC-Laders auf Basis von Siliziumkarbid führt zu mehreren Vorteilen auf Systemebene:
- 40 % geringere Energieverluste, die wiederum ermöglichen
- 2 % Verbesserung der Systemeffizienz
- 50 % bessere Leistungsdichte
- Bis zu 18 % geringere Systemkosten
Zukunft gebaut mit hochleistungsfähigem Siliziumkarbid
Mehrere wichtige, kurzfristige Trends werden von Siliziumkarbid-basierten Systemen unterstützt. Die Solarwelt bewegt sich in Richtung eines 1500-V-Busses, der entweder 2-kV-Bauelemente oder eine komplizierte mehrstufige Topologie erfordert. Im Bereich der Zentralwechselrichter werden Geräte und Leistungsmodule im Bereich von 2 kV oder höher benötigt.
Siliziumkarbid wird einen unipolaren Schalter statt der bipolaren Schalter in den heutigen Zentralwechselrichtern liefern und damit die gleichen Vorteile in Bezug auf Effizienz, Gewicht, Größe und Kosten bieten. Die neue Technologie wird auch neue Segmente beeinflussen, darunter Festkörpertransformatoren, Windenergie und Traktion.
Während eine große Vielfalt an diskreten Siliziumkarbid-Bauelementen und Leistungsmodulen verfügbar ist, um die aktuellen Anforderungen zu erfüllen, setzt Wolfspeed seine Tradition fort, in Forschung und Entwicklung zu investieren, um neue Produkte auf den Markt zu bringen, die diese zukünftigen Bedürfnisse decken.
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