Sun to Wheels：用 SiC 為可再生未來提供動(dòng)力

隨著世界朝著可持續(xù)、更綠色的未來邁進(jìn)，許多國家正在減少化石燃料發(fā)電，轉(zhuǎn)而使用可再生能源。2010 年至 2020 年間，新的公用事業(yè)規(guī)模太陽能光伏 (PV) 項(xiàng)目的全球加權(quán)平均電力成本下降了 85%，陸上風(fēng)電下降了 56%，海上風(fēng)電下降了 48%。因此，可再生能源已成為幾乎所有國家增加能源產(chǎn)能的典型途徑，2010 年至 2020 年期間，包括離網(wǎng)在內(nèi)的累計(jì)光伏裝置的年復(fù)合增長率達(dá)到 34% 。1

這種增長將隨著提高能源效率的增加而繼續(xù)。國際可再生能源機(jī)構(gòu) (IRENA) 的一份報(bào)告稱，將全球變暖限制在 1.5?C 將需要每年減少 36.9 吉噸的 CO 2排放量，并建議將太陽能光伏發(fā)電量增加 444 吉瓦/年，風(fēng)能發(fā)電量增加 248 吉瓦/年。到 2050 年。IRENA 估計(jì)，可再生能源和能源效率的顯著提高可以為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)減排貢獻(xiàn)不少于 25%，而通過交通等應(yīng)用的電氣化可以實(shí)現(xiàn)另外 20%。2

雖然對新型風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)和基于鈣鈦礦的太陽能電池的研究正在推動(dòng)能量轉(zhuǎn)換效率的極限，但從發(fā)電到應(yīng)用可再生能源之間的功率半導(dǎo)體鏈不再需要成為從太陽到車輪的薄弱環(huán)節(jié)。如今，只需在能源連接、分配和存儲(chǔ)系統(tǒng)中將傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)替換為碳化硅，就可以獲得巨大的尺寸、重量、功率和成本優(yōu)勢。

電力電子鏈的高效率

對于 5 至 15 kW 住宅單相和 30 至 100 kW 商用三相架構(gòu)，太陽能電池板陣列用于增加電壓并減少連接和電纜中的 I 2 R 損耗。光伏陣列電壓通常被提升到穩(wěn)壓直流電，為儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 充電，這有助于克服太陽能發(fā)電典型的功率波動(dòng)。穩(wěn)壓直流提供給逆變器進(jìn)行直流/交流轉(zhuǎn)換，而最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 控制器優(yōu)化面板上的負(fù)載以實(shí)現(xiàn)最高能效。

Wolfspeed 提供的 SiC 器件適合該電力電子鏈中的每個(gè)階段，以及從住宅到輕型商業(yè)到公用事業(yè)規(guī)模的應(yīng)用所需的功率水平。該公司的技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)人員以更低的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)級(jí)效率和功率密度——這些都是可再生能源市場的主要驅(qū)動(dòng)因素（圖 1）。

直流/直流升壓

DC/DC 部分用于提升可變光伏面板電壓。通過用 Wolfspeed 的 SiC 模塊替換本節(jié)中用于串型逆變器的硅二極管和 MOSFET，設(shè)計(jì)人員可以將系統(tǒng)尺寸減小 70%，將系統(tǒng)效率提高 1%，同時(shí)將總體成本降低 30%。這是能夠使用更高開關(guān)頻率的直接結(jié)果，從而減少了電感器、電容器、濾波器和變壓器的尺寸、成本和封裝。

儲(chǔ)能系統(tǒng)

ESS 應(yīng)用通過滿足 DC/DC 升壓/MPPT、雙向有源前端和直流電池充電器中硅留下的系統(tǒng)要求差距，為從住宅到工業(yè)應(yīng)用的 SiC 實(shí)施提供了巨大的機(jī)會(huì)。

Wolfspeed 對其 SiC 解決方案的測試表明，系統(tǒng)效率提高了近 3%，功率密度提高了 50%，并且顯著降低了無源元件體積和無源 BOM 成本。

圖 1：Wolfspeed 提供適合電力電子鏈中每個(gè)階段的 SiC 器件，從 DC/DC 升壓到快速充電器——從太陽到車輪。

從 3.3 kV 到 20+ kV 的中高壓 (MV/HV) SiC MOSFET 模塊開辟了多個(gè)現(xiàn)有和新興應(yīng)用空間，包括并網(wǎng)逆變器、增壓器和牽引。

并網(wǎng)光伏逆變器

借助中壓/高壓 SiC 器件，這些逆變器可以將太陽能發(fā)電場直接連接到電網(wǎng)，從而消除電力電子鏈中笨重、昂貴且有損耗的變壓器。這降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運(yùn)營和場地成本。

例如，這樣的 2-MVA 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將包括以 40 kHz 運(yùn)行的 Wolfspeed 1,700-V SiC 半橋模塊、40 kHz 的較小中頻變壓器和 10 kHz 的 Wolfspeed 10-kV SiC 模塊. 不包括變壓器，它的重量不到 1,000 磅，并實(shí)現(xiàn)超過 98% 的 CEC 效率。

直流快充

傳統(tǒng)的快速充電器通常使用低頻變壓器，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)重量增加數(shù)千磅。這種類型的 500-kVA 系統(tǒng)將是一個(gè) 5,190 升、3,537-kg 的充電器，功率損耗大于 28-kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5-kV SiC 和 >20-kHz 固態(tài)變壓器的現(xiàn)代 500-kVA 快速充電器是一個(gè) 1,298 升、530 公斤的系統(tǒng)，功率損耗為 11.25 千瓦。因此，基于 SiC 的直流快速充電器可以在不到 4 分鐘的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全充電，系統(tǒng)體積小 >75%，重量輕 >85%，損耗降低 >60%，成本降低 >40%。

牽引力和機(jī)動(dòng)性

MV/HV SiC 模塊可以將運(yùn)輸?shù)哪耆剂舷慕档?1% 到 4%，并且在重型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，可以顯著節(jié)省驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻和布線。

滿足廣泛應(yīng)用范圍的額定值

Wolfspeed 提供涵蓋業(yè)界最廣泛應(yīng)用功率規(guī)模的 SiC 分立器件和模塊（圖 2）。該公司的 MV/HV 解決方案，額定從 3.3-kV LM3 模塊到 6.5-kV MM3 和 10-kV XHV-9 模塊，可滿足上述應(yīng)用的廣泛電壓、電流和隔離要求。

圖 2：Wolfspeed 的 SiC 產(chǎn)品組合為可再生能源應(yīng)用提供了從不到 2 kW 到兆瓦級(jí)的功率可擴(kuò)展性。

作為市場份額最大且不斷增長的垂直整合型 SiC 供應(yīng)商，Wolfspeed 擁有超過 30 年的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)百萬個(gè) MOSFET 和二極管在該領(lǐng)域運(yùn)行數(shù)萬億小時(shí)。

要與專家討論 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢以及最適合您應(yīng)用的設(shè)備，請聯(lián)系 Wolfspeed。

參考

1弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所。（2022 年）?！肮夥鼒?bào)告?！?bit.ly/393k3eo

2國際可再生能源署。（2022 年）?！?022 年世界能源轉(zhuǎn)型展望”。國際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)：978-92-9260-429-5。bit.ly/3x4Stpb

審核編輯 黃昊宇