風(fēng)能和太陽(yáng)能等基本可再生能源解決方案通常與儲(chǔ)能相結(jié)合，是該行業(yè)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，而寬帶隙碳化硅 (SiC)技術(shù)是這些解決方案的核心。終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)確定，碳化硅功率半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)比硅 (Si) 更高效、更小且更具成本效益的解決方案。碳化硅組件明顯更加可靠，并且在處理電網(wǎng)級(jí)電壓方面具有卓越的性能。

可再生能源系統(tǒng)中的 SiC 與 Si 器件

Wolfspeed 致力于 SiC 領(lǐng)域，擁有 30 多年的廣泛研究，并擁有適用于所有重視效率、功率密度和整體系統(tǒng)成本的電源應(yīng)用的多樣化寬帶隙 SiC 器件組合。

圖 1：Wolfspeed SiC 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能 DC/DC 和 DC/AC 電源轉(zhuǎn)換。

太陽(yáng)能或儲(chǔ)能等可再生能源領(lǐng)域的硬件設(shè)計(jì)人員已經(jīng)利用碳化硅取得了成果。SiC 可實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)而不損失效率；簡(jiǎn)而言之，這意味著更小的電路磁性和更平坦的導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 在溫度范圍內(nèi)，從而在真實(shí)工作條件下降低傳導(dǎo)損耗。無(wú)論是提高光伏電池板的功率還是將功率逆變回電網(wǎng)，碳化硅都是一個(gè)明確的選擇，因?yàn)樗ㄟ^(guò)提高功率密度、減小系統(tǒng)的尺寸和重量以及平衡系統(tǒng)成本來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

Wolfspeed SiC 的實(shí)際設(shè)計(jì)影響

目前，事實(shí)證明 SiC 比傳統(tǒng)使用的硅更有效。太陽(yáng)能串系統(tǒng)在一系列電池板和并網(wǎng)逆變器之間實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)。MPPT 本質(zhì)上是一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，其中效率和功率密度對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能至關(guān)重要。在過(guò)去的設(shè)計(jì)中，升壓器將基于 IGBT，器件的開(kāi)關(guān)頻率為 15–30 kHz，效率在 ~97% 的范圍內(nèi)。

通過(guò)使用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二極管實(shí)現(xiàn)相同的升壓電路，系統(tǒng)級(jí)效率現(xiàn)在達(dá)到了 99.5% 的峰值，同時(shí)顯著改善了整體 MPPT 尺寸和成本（圖 2）。

圖 2：IGBT 50-kW MPPT 升壓器（左）與 Wolfspeed 的 SiC 60-kW MPPT 升壓器（右）的物理尺寸對(duì)比

Wolfspeed SiC 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單：提高 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率并利用 SiC 升壓二極管的近零反向恢復(fù)特性。這有助于實(shí)現(xiàn)最低的電路損耗，同時(shí)最小化升壓電感器、電容器和冷卻系統(tǒng)的尺寸，從而降低成本。

性能比較

為什么增加開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生如此大的影響？因?yàn)槭褂?Wolfspeed 碳化硅器件，該系統(tǒng)可以在 IGBT 開(kāi)關(guān)頻率的 3 至 4 倍下運(yùn)行，同時(shí)提高整體效率。

圖 3 顯示了硅 IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 之間的器件開(kāi)關(guān)頻率的并排比較，以及對(duì)升壓器無(wú)源元件和冷卻設(shè)計(jì)的相關(guān)系統(tǒng)級(jí)影響。可以清楚地看到，隨著 SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率增加到 60 kHz 及更高，體積大且成本高的升壓電感器、電容器和散熱器可以最小化。

圖 3：碳化硅開(kāi)關(guān)頻率效應(yīng)

從圖 4 中可以看出，增加開(kāi)關(guān)頻率對(duì)升壓電感器的值和尺寸的實(shí)際影響。升壓扼流圈的尺寸可以減少到 16kHz IGBT 解決方案的一半，成本可以降低約 40%。

圖 4：使用 IGBT 和 SiC MOSFET 的升壓電感器選擇（SiC MOSFET = 47 kHz，140 μH）

結(jié)論

Wolfspeed SiC 目前支持廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槭聦?shí)證明，基于 SiC 的解決方案比傳統(tǒng)的基于 Si 的解決方案具有更高的效率、功率密度和系統(tǒng)成本效益。設(shè)計(jì)人員可以利用 SiC MOSFET 更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的傳導(dǎo)損耗來(lái)減小電路磁性元件和其他無(wú)源元件的尺寸和成本，從而在不影響效率和成本的情況下實(shí)現(xiàn)顯著的功率密度改進(jìn)。

注意：上面列出的所有數(shù)字都是近似值，可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用而變化。


審核編輯：劉清