CREE | WOLFSPEED, GUY MOXEY
重要的可再生能源解決方案，例如風(fēng)能和太陽能，經(jīng)常會與儲能相匹配。儲能是業(yè)界增長最為快速的領(lǐng)域之一。寬禁帶 SiC 技術(shù)則是這類解決方案的核心。終端系統(tǒng)設(shè)計者已經(jīng)開發(fā)出 SiC 功率半導(dǎo)體解決方案，與 Si 方案相比，可實現(xiàn)更高效、更小型和更具成本效益。SiC 器件在應(yīng)對電網(wǎng)級電壓時，具有更為顯著的高可靠性，并提供出類拔萃的性能。
在可再生能源系統(tǒng)中 SiC 器件 vs Si 器件
Wolfspeed 在 SiC 領(lǐng)域已深耕 30 多年，對其有著廣泛的研究，并且開發(fā)出豐富的寬禁帶 SiC 器件產(chǎn)品組合，適合所有重視效率、功率密度和總體系統(tǒng)成本的功率應(yīng)用。
圖1. Wolfspeed SiC 賦能光伏 DC/DC 和 DC/AC 功率轉(zhuǎn)換
在光伏和儲能等可再生能源領(lǐng)域的硬件設(shè)計人員，已經(jīng)利用 SiC 取得不錯的成果。SiC 實現(xiàn)了高頻率開關(guān)且不損失效率。簡而言之，這意味著更小尺寸的電路磁性元件以及溫度范圍內(nèi)更為平緩的導(dǎo)通電阻 RDS(on)。而這些將帶來在真實工作條件下更低的導(dǎo)通損耗。不論是光伏板的升壓功率，或者是返回電網(wǎng)的逆變功率，SiC 都是顯而易見的優(yōu)異選擇。因為 SiC 能為設(shè)計帶來功率密度提升、系統(tǒng)尺寸減小、系統(tǒng)重量減輕以及平衡系統(tǒng)成本。
Wolfspeed SiC 對于設(shè)計所產(chǎn)生的真實影響
現(xiàn)在，SiC 已經(jīng)被驗證可比傳統(tǒng)采用 Si 的方案更有效率。組串式光伏系統(tǒng)在一系列光伏板和連接到電網(wǎng)的逆變器之間采用最大功率點追蹤 (MPPT)。MPPT 在本質(zhì)上是升壓轉(zhuǎn)換器對于系統(tǒng)設(shè)計性能的效率和功率密度是至關(guān)重要的。在以前的設(shè)計之中，升壓轉(zhuǎn)換器可能是基于 IGBT 的，其器件開關(guān)在 15–30 kHz，效率范圍在~97%。
通過在相同升壓電路中采用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二極管，系統(tǒng)層面效率現(xiàn)在可以達(dá)到最高 99.5%，且總體 MPPT 尺寸和成本都有顯著改進(jìn)（圖2）。
圖2. 采用 IGBT 的 50-kW MPPT 升壓器（左）和采用Wolfspeed SiC 的 60-kW MPPT 升壓器（右）的物理尺寸對比
采用 Wolfspeed SiC 的設(shè)計更為簡潔：借助 SiC MOSFET 提高了開關(guān)頻率以及 SiC 升壓二極管的接近零反向恢復(fù)的特性。這將幫助實現(xiàn)最低的電路損耗，以及盡可能地減小尺寸，因為也會帶來升壓電感器、電容器和冷卻系統(tǒng)的成本降低。
性能對比
為什么提高開關(guān)頻率會帶來如此重要的影響？因為通過采用 Wolfspeed SiC 器件，與 IGBT 方案相比，系統(tǒng)可以在 3 倍至 4 倍的開關(guān)頻率下工作，同時提高總體效率。
圖 3 展示了 Si IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 器件開關(guān)頻率的逐項比較，以及相關(guān)的對于升壓器被動元件和冷卻設(shè)計的系統(tǒng)層面影響?？梢郧宄乜吹皆敬蟪叽缜腋叱杀镜纳龎弘姼衅?、電容器和散熱器可以被盡可能地最小化，隨著 SiC MOSFET 開關(guān)頻率提高至 60 kHz 及以上。
圖3. SiC 開關(guān)頻率影響
在圖 4 可以看到提高開關(guān)頻率對于升壓電感器價值和尺寸所產(chǎn)生的實際影響。升壓器尺寸可以減小到 16-kHz IGBT 方案的一半，且成本可以減少近40%。
圖4. 采用 IGBT 和 SiC MOSFET (SiC MOSFET = 47 kHz, 140 µH) 的升壓傳感器對比
小結(jié)
Wolfspeed SiC 現(xiàn)在可以賦能多種不同的應(yīng)用，因為 SiC 基方案已經(jīng)被證明可以比Si基方案實現(xiàn)更高效率、功率密度和系統(tǒng)成本效益。設(shè)計人員可以憑借 SiC MOSFET 的更高開關(guān)速度、更低導(dǎo)通損耗，來減小電路磁性元件和其他被動元件的尺寸和成本，從而實現(xiàn)顯著的功率密度提升，且不需要在效率和成本之間權(quán)衡妥協(xié)。
備注：以上所列所有數(shù)字都是概略估算，會根據(jù)應(yīng)用而有所變化。
