碳化硅将绿色替代方案引入良性循环
推动电动汽车（EV）市场发展的绿色意识和相关法规，推动了电池技术和基于碳化硅设计的创新，从而变革了绿色能源的生成。扩大可再生能源的需求如今已变得至关重要。气候变率的增加、短期内化石燃料供应链的问题，以及长期来看有限的化石燃料资源，面对日益增长的能源需求，使得区域性绿色能源成为首选。大幅提高可再生能源（特别是太阳能和风能）的投资回报率（ROI），意味着必须提升能源存储系统（ESS）的效率、容量、功率密度和成本效益。得益于电池技术和碳化硅器件的创新（这得益于不断增长的电动汽车市场的推动），现在已经有解决方案可以帮助实现这些目标。
阳光照耀太阳能的成功
国际能源署（IEA）估计，可再生能源装机容量将在2022年增长8%，突破300吉瓦。根据该机构的说法，引领这一可再生能源复兴的是太阳能光伏（PV），其将在全球可再生能源装机容量增长中占到60%。这一增长背后有多个原因，包括一些挑战的逐步解决。
- 太阳能板及相关电子设备的效率不断提高，同时相对于化石燃料，其成本也在下降——并且这一进展的速度比风能和水能更快。各国政府正通过商业激励和监管支持进一步推进这一趋势。
- 由于气候变化的影响，风能和太阳能发电具有间歇性的特性，这种特性可以通过增加储能系统（ESS）来缓解。电池技术的改进正在提供容量扩展和降低成本的可能性，而基于碳化硅的设计则使这些系统变得更加高效。
- 太阳能光伏的一个关键优势是其广泛的可扩展性，从住宅应用中的几千瓦到公用事业规模太阳能农场中的兆瓦不等。与风能和水电需要极高功率和昂贵的公用事业级投资才能最具可行性不同，太阳能适用于各种不同的系统配置。
面板到ESS系统概览
太阳能架构通常分为三种配置。在住宅层面，微型逆变器支持1-4块面板的组合。串式逆变器汇总几个千瓦到大约50千瓦的面板集群。从50千瓦到200千瓦，串式系统被整合以满足商业和工业装置的需求。兆瓦级的公用事业规模装置过去常使用大型集中式系统，但现在经常选择基于分布式串式拓扑结构，以降低安装时间和成本，同时减少单点故障的影响和整体维护成本。
最大功率点跟踪器（MPPT）是一种DC-DC升压电路，它从光伏板阵列中获取变化的电压，并向内部总线提供稳定的更高电压（图1）。这种更稳定的直流电然后通过逆变器转换为符合电网标准的交流电。在能源存储系统（ESS）的应用中，双向的DC-DC降压-升压电路充当电池充电器。如果ESS需要从电网充电，逆变器同样需要是双向的。
面板到电网系统概览
图 1
碳化硅技术提升
碳化硅在从低至1千瓦到大于1兆瓦配置的应用中都非常适合，包括升压/MPPT DC-DC、双向逆变器或有源前端(AFE)，以及ESS充放电电路中的双向DC-DC。相比硅材料，碳化硅具有诸多优点：
- 在大多数应用中切换频率提高3倍
- 系统效率提高约2%或损耗减少约40%
- 高达50%的更高功率密度（体积缩小3倍，重量减轻10倍）
- 更小的无源组件和散热器
- 降低整体系统的物料清单成本
虽然碳化硅肖特基二极管长期以来已被用于MPPT升压电路以提高效率，但现在采用全碳化硅实现，包括MOSFET的方案更加普及。例如，Wolfspeed的CRD-60DD12N四通道15千瓦升压转换器参考设计可实现99.5%的能效，并以78 kHz的频率切换。与传统硅方案相比，该设计提供了1-2%的能效提升或约70%的损耗减少，3倍的功率密度，以及10倍的重量减轻。所有这些性能的实现同时还能降低系统实施成本。
碳化硅对AFE部分具有类似的影响。一个使用六个开关的硅IGBT解决方案因其相对较低的成本和简单性而被广泛应用（如图2所示）。然而，其开关频率限制在最大约20 kHz，并且在高功率水平下显著低于这一频率。使用硅超级结（SJ）器件的多电平拓扑结构能够使设计人员实现高频开关和良好系统效率下所需的高电压，但需要付出代价，包括更复杂的控制、更高的元件数量，以及由于更多开关和相关驱动器的需求而导致的显著更高的材料清单（BOM）成本。Wolfspeed的CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE参考设计已证明了这一点。
碳化硅使更简单、更高效、更低成本的AFE设计成为可能。
图 2
在ESS领域，电动车市场影响了电池存储趋势，使得电池组从200V向800-1000V发展成为可能。这些高电压要求双向DC-DC转换器中使用高电压器件。设计人员通常在复杂的多级谐振拓扑中使用常见的650V SJ器件，而硅的开关频率通常限制在80 kHz到120 kHz之间。相比之下，更简单的全碳化硅实现方案，例如CRD-22DD12N 22 kW双向DC-DC充电器，可以在降低零部件数量和整体系统成本的同时，实现约200 kHz的谐振频率。
将基于碳化硅的双向AFE和DC-DC充电器结合起来，可带来多种系统级优势：
- 能源损耗降低40%，从而实现
- 系统级效率提高2%
- 功率密度提升50%
- 系统成本最多降低18%
由高功率碳化硅打造的未来
基于碳化硅的系统支持几个关键的短期趋势。太阳能领域正在向1500 V母线发展，这需要2 kV器件或复杂的多电平拓扑。在中央逆变器领域，将需要2 kV或更高范围的中高电压器件和功率模块。
碳化硅将提供一种单极开关，而不是当今中央逆变器中的双极开关，带来相同的效率、重量、尺寸和成本优势。这项新技术还将影响新的领域，包括固态变压器、风能和牵引系统。
虽然目前已有多种多样的碳化硅分立器件和功率模块可以满足当前需求，但Wolfspeed继续秉承其在研发领域的投资传统，不断推出新产品以满足未来的需求。
文章标签
