從太陽(yáng)能到汽車: SiC 推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可再生的未來(lái)
隨著世界朝著更加綠色的可持續(xù)未來(lái)邁進(jìn),許多國(guó)家/地區(qū)正在減少化石燃料能源發(fā)電,轉(zhuǎn)而使用可再生能源。
2010 年至 2020 年,新型公用事業(yè)規(guī)模太陽(yáng)能光伏 (PV) 項(xiàng)目的全球加權(quán)發(fā)電成本下降了 85%,陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的全球加權(quán)發(fā)電成本分別下降了 56% 和 48%。
因此,可再生能源成為了幾乎所有國(guó)家/地區(qū)增加能源產(chǎn)能的典型途徑。
2010 年至 2020 年,累計(jì)光伏裝機(jī)(含離網(wǎng))的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 達(dá)到 34%。
隨著能源效率提升的步伐不斷加快,這種增長(zhǎng)勢(shì)頭還將繼續(xù)。國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)的一份報(bào)告明確指出,如果要將全球變暖限制在 1.5°C 以內(nèi),每年需要削減 36.9 Gt 的二氧化碳排放,并建議在 2050 年前,設(shè)定每年分別新增 444 GW 和 248 GW 太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電的目標(biāo)。
IRENA 估計(jì),可再生能源和能源效率的顯著提高均可為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)減排做出不低于 25% 的貢獻(xiàn),而另外的 20% 則可通過交通工具等應(yīng)用的電氣化來(lái)實(shí)現(xiàn)。
雖然新型風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)和鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的研究正在推進(jìn)能源轉(zhuǎn)換效率到達(dá)極限,但聯(lián)接可再生能源從發(fā)電到使用環(huán)節(jié)的功率半導(dǎo)體元件已經(jīng)不再是利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)汽車的薄弱環(huán)節(jié)。
在能源互聯(lián)、分配和儲(chǔ)存系統(tǒng)中,只需用碳化硅(SiC)取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù),便可在尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)方面獲得巨大優(yōu)勢(shì)。
#1
電力電子轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的高效率
對(duì)于 5-15 kW 住宅單相和 30-100 kW 商業(yè)三相架構(gòu)而言,太陽(yáng)能電池板陣列可用于增加電壓和減少連接與電纜的 I2R 損耗。通常,光伏陣列電壓被提升到為儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)充電的穩(wěn)壓直流電壓,這有助于克服太陽(yáng)能發(fā)電中常見的功率波動(dòng)。穩(wěn)壓直流電壓供給逆變器進(jìn)行 DC-AC 轉(zhuǎn)換,而最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器可優(yōu)化太陽(yáng)能電池板上的負(fù)載,從而獲得最高的能源效率。
Wolfspeed 可提供適合該電力電子轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中每一個(gè)轉(zhuǎn)換單元的 SiC 器件,可以滿足住宅、輕型商業(yè)和公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用所需的功率等級(jí)。Wolfspeed 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,而所有這些都是驅(qū)動(dòng)可再生能源市場(chǎng)的主要因素(圖 1)。
DC-DC 升壓:DC-DC 電路單元用于將變化的光伏電池板電壓升高到穩(wěn)定直流電壓。設(shè)計(jì)人員通過把該單元的主串式逆變器中原來(lái)使用的硅基二極管和 MOSFET 替換成 Wolfspeed 的 SiC 模塊,使系統(tǒng)尺寸縮減 70%,系統(tǒng)效率提高 1%,同時(shí)系統(tǒng)總成本降低 30%。這是由于 SiC 模塊的使用提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率,從而縮小了功率電感、電容、濾波器和變壓器的尺寸,進(jìn)而降低了系統(tǒng)總成本。
儲(chǔ)能系統(tǒng):儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用為在住宅、工業(yè)等應(yīng)用中采用 SiC 提供了巨大機(jī)會(huì),填補(bǔ)了 Si 在 DC-DC 升壓 / MPPT、雙向有源前端(AFE)和直流電池充電機(jī)中留下的系統(tǒng)需求空白。 Wolfspeed 對(duì) SiC 解決方案開展的測(cè)試表明,通過使用 SiC,系統(tǒng)效率可提高近 3%,功率密度最多可提高 50%,并可顯著縮減無(wú)源元件體積,大幅降低無(wú)源 BOM 成本。
▲ 圖 1:Wolfspeed 提供適合該電力電子轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中每個(gè)轉(zhuǎn)換 單元的 SiC 器件,包括 DC-DC 升壓型器件、快速充電機(jī)等, 助力實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)能到汽車的應(yīng)用
3.3 kV 至 20+ kV(中高壓)SiC MOSFET 模塊開辟了多個(gè)現(xiàn)有和新興的應(yīng)用領(lǐng)域,包括并網(wǎng)逆變器、超級(jí)充電機(jī)和電機(jī)牽引。
并網(wǎng)逆變器:此類逆變器利用中高壓 SiC 器件可將太陽(yáng)能發(fā)電廠直接連接到電網(wǎng),從而從電力電子變換環(huán)節(jié)中消除了沉重、昂貴且有較大損耗的變壓器。這降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運(yùn)營(yíng)和選址成本。
例如,2 MVA 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)包括工作頻率為 40 kHz 的 Wolfspeed 1700 V SiC 半橋模塊、一個(gè)工作頻率為 40 kHz 的較小體積的中頻變壓器,以及工作頻率為 10 kHz 的 Wolfspeed 10 kV SiC 模塊。如果不包括變壓器,其重量不到 1,000 磅,CEC 效率可達(dá)到 98% 以上。
直流快速充電:傳統(tǒng)快速充電機(jī)通常使用低頻變壓器,這會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)的重量增加幾千磅。一個(gè) 500 kVA 的傳統(tǒng)充電機(jī)系統(tǒng)容量為 5,190 升、重量為 3,537 kg、功率損耗 >28 kW。
基于 Wolfspeed 的 6.5 kV SiC 和 >20 kHz 固態(tài)變壓器(SST)的現(xiàn)代 500 kVA 快速充電機(jī)系統(tǒng)容量 1,298 升、重量 530 kg、功率損耗不超過 11.25 kW。因此,基于 SiC 的直流快速充電機(jī)用時(shí)不到 4 分鐘便可充滿電,且該系統(tǒng)尺寸比原傳統(tǒng)充電機(jī)尺寸縮小超過 75%,重量減輕 85% 以上,損耗減少超過 60%,成本降低 40% 以上。
牽引和交通:中高壓 SiC 模塊可將交通工具的年油耗降低 1-4%,并可在重型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻和布線方面節(jié)省大量成本。
#2
額定值可滿足廣泛的應(yīng)用范圍
Wolfspeed 提供可覆蓋行業(yè)最廣泛應(yīng)用功率范圍的 SiC 分立器件和模塊(圖 2)。Wolfspeed 的中高壓解決方案(額定值從 LM3 模塊的 3.3 kV 到 MM3 模塊的 6.5 kV 和 XHV-9 模塊的 10 kV 不等)可解決上述應(yīng)用中寬范圍的電壓、電流和隔離要求。
▲ 圖 2:Wolfspeed SiC 產(chǎn)品組合為可再生能源應(yīng)用 提供功率可擴(kuò)展性(覆蓋 2 kW 以下到兆瓦級(jí)的范圍)
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:?從太陽(yáng)能到汽車:SiC 推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可再生的未來(lái)
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