基于碳化硅系統(tǒng)支持的趨勢(shì)

推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的綠色意識(shí)和法規(guī)推動(dòng)了電池技術(shù)和碳化硅設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，以改變綠色能源的產(chǎn)生。

現(xiàn)在，對(duì)可再生能源擴(kuò)張的需求至關(guān)重要。日益增加的氣候多變性，近期的化石燃料供應(yīng)鏈問(wèn)題以及長(zhǎng)期有限的化石燃料資源面臨不斷增長(zhǎng)的能源需求，已經(jīng)使天平向有利于區(qū)域綠色能源的方向傾斜。

顯著提高可再生能源（尤其是太陽(yáng)能和風(fēng)能）的投資回報(bào)率（ROI），意味著提高儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)（EV）市場(chǎng)加速了電池技術(shù)和碳化硅器件的創(chuàng)新，現(xiàn)在可以使用解決方案來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

國(guó)際能源署（IEA）估計(jì)，到2022年，可再生能源產(chǎn)能將增加8%，達(dá)到300吉瓦。該機(jī)構(gòu)稱(chēng)，引領(lǐng)可再生能源復(fù)興的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，它將占全球可再生能源容量增長(zhǎng)的60%。這種增長(zhǎng)的背后有幾個(gè)原因，包括一些挑戰(zhàn)的逐步解決。

太陽(yáng)能電池板和相關(guān)電子設(shè)備已經(jīng)變得更加高效，同時(shí)相對(duì)于化石燃料的成本也更低，并且速度比風(fēng)能和水力發(fā)電更快。全球各國(guó)政府正在通過(guò)商業(yè)激勵(lì)措施和監(jiān)管支持來(lái)加強(qiáng)這一點(diǎn)。

風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的特征間歇性，由于氣候變異性2而惡化，可以通過(guò)增加ESS來(lái)緩解。電池技術(shù)的改進(jìn)提供了容量擴(kuò)展和成本的降低，而基于碳化硅的設(shè)計(jì)使這些系統(tǒng)更加高效。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其廣泛的可擴(kuò)展性，從住宅應(yīng)用中的幾千瓦到公用事業(yè)規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的兆瓦。與在非常高的功率和昂貴的公用事業(yè)規(guī)模投資下最可行的風(fēng)能和水力發(fā)電不同，太陽(yáng)能適合各種系統(tǒng)配置。

太陽(yáng)能建筑通常分為三種配置。在住宅層面，微型逆變器支持1-4個(gè)面板塊。組串式逆變器將面板集群從幾千瓦到約50千瓦。從50 kW到200 kW，一體化的燈串可服務(wù)于商業(yè)和工業(yè)安裝。兆瓦范圍內(nèi)的公用事業(yè)規(guī)模安裝使用大型集中式系統(tǒng)，但現(xiàn)在經(jīng)常選擇基于分布式串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減少安裝時(shí)間和成本以及點(diǎn)故障和整體維護(hù)成本的影響。

最大功率點(diǎn)跟蹤器（MPPT）是一種DC-DC升壓電路，它從面板陣列中獲取變化的電壓，并為內(nèi)部總線(xiàn)提供恒定的較高電壓（圖1）。然后，更穩(wěn)定的直流電由逆變器轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)交流電。在ESS實(shí)現(xiàn)中，雙向DC-DC降壓-升壓電路充當(dāng)電池充電器。如果需要從電網(wǎng)對(duì)ESS進(jìn)行充電，逆變器也需要是雙向的。

碳化硅技術(shù)助推

碳化硅適合這種應(yīng)用，從升壓/MPPT DC-DC、雙向逆變器或有源前端（AFE）以及ESS充電/放電電路中的雙向DC-DC中的低1 kW到大于1 MW配置。與硅相比，它提供了許多優(yōu)點(diǎn)：

在大多數(shù)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率高出3倍

系統(tǒng)效率提高約2%，損耗降低約40%

功率密度提高多達(dá)50%（體積小3倍，重量減輕10倍）

更小的無(wú)源器件和散熱器

降低系統(tǒng)總BOM成本

雖然碳化硅肖特基二極管長(zhǎng)期以來(lái)一直用于MPPT升壓電路以提高效率，但現(xiàn)在更廣泛地采用帶有MOSFET的全碳化硅實(shí)現(xiàn)。例如，Wolfspeed的CRD-60DD12N 15 kW x 4通道升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)可提供99.5%的能效和78 kHz的開(kāi)關(guān)頻率。與硅片相比，這種設(shè)計(jì)可提高1-2%的能效或約70%的損耗，3倍的功率密度和10倍的重量。所有這些性能都以更低的系統(tǒng)實(shí)施成本實(shí)現(xiàn)。

碳化硅對(duì)AFE部分也有類(lèi)似的影響。六開(kāi)關(guān)硅IGBT實(shí)現(xiàn)通常用于其相對(duì)較低的成本和簡(jiǎn)單性（圖2）。然而，其開(kāi)關(guān)頻率被限制在最大約20 kHz，并且在高功率水平下，明顯低于該頻率。采用硅超級(jí)結(jié)（SJ）器件的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)和良好的系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)所需的高電壓電平，但代價(jià)是復(fù)雜的控制以及由附加開(kāi)關(guān)以及相關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的器件數(shù)量和BOM成本顯著增加。

在ESS領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)已經(jīng)影響了電池存儲(chǔ)趨勢(shì)，允許使用200V的電池組，并可能向800-1000V發(fā)展。這些高電壓需要在雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用高壓器件。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在復(fù)雜的多電平諧振拓?fù)渲惺褂贸Ｒ?jiàn)的650 V SJ器件，在這些拓?fù)渲?，硅將開(kāi)關(guān)頻率限制在80 kHz和120 kHz之間。相反，更簡(jiǎn)單的全碳化硅實(shí)現(xiàn)，如CRD-22DD12N 22 kW雙向DC-DC充電器，可以實(shí)現(xiàn)約200 kHz的諧振頻率，同時(shí)降低器件數(shù)量和整體系統(tǒng)成本。

將基于碳化硅的雙向AFE和DC-DC充電器相結(jié)合，可帶來(lái)幾個(gè)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)：

能量損失降低40%，從而實(shí)現(xiàn)

更低的系統(tǒng)溫度和更高的系統(tǒng)可靠性和使用壽命

更小的散熱器或可能消除主動(dòng)冷卻

系統(tǒng)級(jí)效率提高2%

功率密度提高50%

系統(tǒng)成本降低多達(dá)18%

采用高功率碳化硅構(gòu)建的未來(lái)

基于碳化硅的系統(tǒng)支持了幾個(gè)關(guān)鍵的近期趨勢(shì)。太陽(yáng)能世界正在向1500 V總線(xiàn)發(fā)展，這需要2 kV設(shè)備或復(fù)雜的多級(jí)拓?fù)?。在集中式逆變器區(qū)域，將需要2 kV或更高范圍內(nèi)的中高壓設(shè)備和功率模塊。

在當(dāng)今的集中式逆變器中，碳化硅將提供單極開(kāi)關(guān)，而不是雙極開(kāi)關(guān)，帶來(lái)相同的效率、重量、尺寸和成本優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)新技術(shù)還將影響新的細(xì)分市場(chǎng)，包括固態(tài)變壓器、風(fēng)力發(fā)電和牽引。