可再生能源系統(tǒng)中的SiC實(shí)現(xiàn)更高效，更小且更具成本效益的電力方案

風(fēng)能和太陽(yáng)能等必不可少的可再生能源解決方案通常與能源存儲(chǔ)結(jié)合使用，是該行業(yè)增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一，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，SiC功率半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)比硅（Si）更高效，更小且更具成本效益的解決方案。SiC組件在處理電網(wǎng)級(jí)電壓方面具有更高的可靠性，并具有超凡的性能。

可再生能源系統(tǒng)中的SiC與Si器件

Wolfspeed致力于SiC領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)30多年的廣泛研究，擁有適用于所有功率應(yīng)用的寬帶隙SiC器件產(chǎn)品組合，這些器件均重視效率，功率密度和整體系統(tǒng)成本。

圖1：Wolfspeed SiC可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能DC / DC和DC / AC功率轉(zhuǎn)換。

由于結(jié)果，可再生能源領(lǐng)域的硬件設(shè)計(jì)人員（例如太陽(yáng)能或儲(chǔ)能）已經(jīng)利用碳化硅。SiC可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)而不會(huì)降低效率；簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這意味著較小的電路磁通量和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更平坦的導(dǎo)通電阻（RDS（on）），從而在真實(shí)工作條件下降低了傳導(dǎo)損耗。SiC既是從PV面板上增加功率，又是將功率轉(zhuǎn)換回電網(wǎng)，是一個(gè)明確的選擇，因?yàn)镾iC可通過(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的真正設(shè)計(jì)影響

目前，SiC被證明比傳統(tǒng)使用的硅更有效。太陽(yáng)能串系統(tǒng)在一系列面板和并網(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)于系統(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)與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)已達(dá)到99.5％的峰值，總體MPPT尺寸和成本得到了顯著改善（圖2）。

圖2：與Wolfspeed的SiC 60kW MPPT增壓器（右）相比，IGBT 50kW MPPT增壓器（左）的物理尺寸

Wolfspeed SiC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單：提高SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率，并利用SiC升壓二極管的接近零的反向恢復(fù)特性。這有助于實(shí)現(xiàn)最低的電路損耗，同時(shí)最大程度地減小升壓電感器，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)頻率如此有影響？因?yàn)槭褂肳olfspeed SiC器件，該系統(tǒng)可以以IGBT的3倍至4倍的開(kāi)關(guān)頻率工作，同時(shí)提高了整體效率。

圖3并排比較了硅IGBT和Wolfspeed SiC MOSFET之間的器件開(kāi)關(guān)頻率，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?？梢郧宄乜吹?，隨著SiC MOSFET開(kāi)關(guān)頻率增加到60 kHz或更高，可以將體積龐大且成本高的升壓電感器，電容器和散熱片降至最低。

圖3：SiC開(kāi)關(guān)頻率效應(yīng)

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

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

結(jié)論

Wolfspeed SiC當(dāng)前正在實(shí)現(xiàn)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的更高開(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，從而實(shí)現(xiàn)功率密度的顯著提高，而不會(huì)影響效率和成本。

注意：以上列出的所有數(shù)字均為近似值，可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用程序而更改。

編輯：hfy