從太陽能到汽車：碳化硅推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可再生的未來

隨著世界朝著更加綠色的可持續(xù)未來邁進(jìn)，許多國家/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，這種增長勢頭還將繼續(xù)。國際可再生能源機(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。

電力電子轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中的高效率

對于 5-15 kW 住宅單相和 30-100 kW 商業(yè)三相架構(gòu)而言，太陽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。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 SiC 解決方案開展的測試表明，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%，并可顯著縮減無源元件體積，大幅降低無源 BOM 成本。

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。

牽引和移動(dòng)：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。

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。

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。

牽引和移動(dòng)：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。

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。

作為一家具有最大市場份額且在不斷增長的垂直整合 SiC 供應(yīng)商，Wolfspeed 擁有超過 30 年的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)以百萬計(jì)的 MOSFET 和二極管在現(xiàn)場工作數(shù)萬億小時(shí)。

審核編輯：郭婷