關(guān)于ESS產(chǎn)品中SiC器件的應(yīng)用

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶打造個(gè)性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。在第三代半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，落筆于SiC相關(guān)設(shè)計(jì)的系列文章。希望以此給到大家一定的設(shè)計(jì)參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

本文作為系列文章的第六篇，將針對(duì)ESS產(chǎn)品中SiC器件的應(yīng)用做一些探討。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）2019年10月的燃料報(bào)告，到2024年，可再生能源發(fā)電量將增長(zhǎng)50%。該報(bào)告預(yù)測(cè)，可再生能源發(fā)電量其中增長(zhǎng)的60％將采用太陽(yáng)能光伏（PV）設(shè)備的形式。

有效利用太陽(yáng)能產(chǎn)生有用的電能，需要仔細(xì)優(yōu)化采集、存儲(chǔ)和最終轉(zhuǎn)換為電能的每個(gè)階段。提高能效的最大機(jī)會(huì)之一是逆變器的設(shè)計(jì)，它將太陽(yáng)能電池陣列 （或其電池存儲(chǔ)） 的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，以便直接使用或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性為大規(guī)模發(fā)電和輸電系統(tǒng)的高效和可靠運(yùn)行提供了保障。儲(chǔ)能系統(tǒng)提高了電網(wǎng)運(yùn)行的效率，減少了在電網(wǎng)高峰時(shí)期的局部電量擁塞造成線路損耗。還可以減少為滿足用電系統(tǒng)高峰需求而建造更多發(fā)電廠的需要。隨著越來(lái)越多的太陽(yáng)能發(fā)電的使用，能源存儲(chǔ)與可再生能源的結(jié)合將有可能在未來(lái)十年改變我們生產(chǎn)、分配和使用能源的方式。這將推進(jìn)太陽(yáng)能光伏電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）集成的需求和大規(guī)模發(fā)展。

近 10 多年來(lái)，以碳化硅（SiC） 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件，受到廣泛關(guān)注。SiC 材料具有 3 倍于硅材料的禁帶寬度，10 倍于硅 材料的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，3 倍于硅材料的熱導(dǎo)率， 因此 SiC 功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場(chǎng)合，且有助于電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度的提升。

SiC功率器件更優(yōu)于硅器件性能，包括它們能夠高速切換高壓和電流，損耗低，熱性能好。盡管目前它們可能比等效硅產(chǎn)品更昂貴（如果可以使用硅替代產(chǎn)品），但它們的系統(tǒng)級(jí)性能可以節(jié)省成本，使冷卻的復(fù)雜性得以優(yōu)化。

有一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)換效率的預(yù)估：如果部署SiC可提高所有太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率，IEA預(yù)計(jì)到2024年就算僅安裝2%，也將多產(chǎn)生驚人的10GW發(fā)電量。

對(duì)于十kW到幾十kW的ESS，為了減少銅損耗，母線電壓通常設(shè)置在800V或更高；電壓的選擇是取決于系統(tǒng)的功率水平。

SiC MOSFET具有優(yōu)越的開(kāi)關(guān)特性，目前在需要超過(guò)30kHz開(kāi)關(guān)頻率和800V運(yùn)行電壓的硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，還沒(méi)有可以與之競(jìng)爭(zhēng)的開(kāi)關(guān)器件。因此光伏升壓轉(zhuǎn)換器廣泛采用碳化硅二極管和MOSFET來(lái)提高功率轉(zhuǎn)換效率和增加開(kāi)關(guān)頻率。

由于SiC MOSFET導(dǎo)通電阻對(duì)溫度的依賴性較低以及體二極管具有近零反向恢復(fù)的特性，使得SiC MOSFET是高效雙向Buck-Boost轉(zhuǎn)換器的理想開(kāi)關(guān)，這為系統(tǒng)集成鋪平道路。這種集成不僅消除了對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定制的需要，而且還將拓展其在電網(wǎng)直聯(lián)系統(tǒng)和離網(wǎng)系統(tǒng)或便攜式設(shè)備的應(yīng)用范圍。

下圖是戶用ESS的示意圖（圖一、二）：

圖一 （Source：Infineon）

圖二 （Source：Infineon）

碳化硅器件在儲(chǔ)能系統(tǒng)的成功應(yīng)用，將會(huì)改變儲(chǔ)能逆變器拓?fù)湓谑袌?chǎng)中的格局， 并提升儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)。開(kāi)關(guān)頻率提高，減小了濾波器尺寸和輸入側(cè)直流母線的電容。甚至可以用小容值的薄膜電容取代大容值的電解電容，克服電解電容壽命短的問(wèn)題。

碳化硅器件的低損耗和耐高溫性能優(yōu)勢(shì)使得散熱器的尺寸明顯減小。碳化硅 MOSFET 可以提高工作頻率、減小電流紋波、減小濾波器尺寸。

因此，新型碳化硅功率器件的優(yōu)勢(shì)給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)整機(jī)性能和成本上的優(yōu)勢(shì)，必將改變儲(chǔ)能系統(tǒng)的現(xiàn)有格局。碳化硅器件在儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。

富昌電子提供光伏系統(tǒng)用的各種高性能和高可靠性的碳化硅功率器件以及相關(guān)解決方案。同時(shí)，我們對(duì)客戶提供專業(yè)的應(yīng)用支持，努力為客戶創(chuàng)造價(jià)值。讓我們攜手一起推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展！