CREE | WOLFSPEED, GUY MOXEY

重要的可再生能源解決方案，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能，經(jīng)常會(huì)與儲(chǔ)能相匹配。儲(chǔ)能是業(yè)界增長(zhǎng)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(jì)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出 SiC 功率半導(dǎo)體解決方案，與 Si 方案相比，可實(shí)現(xiàn)更高效、更小型和更具成本效益。SiC 器件在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)級(jí)電壓時(shí)，具有更為顯著的高可靠性，并提供出類拔萃的性能。

 

Wolfspeed 在 SiC 領(lǐng)域已深耕 30 多年，對(duì)其有著廣泛的研究，并且開(kāi)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(chǔ)能等可再生能源領(lǐng)域的硬件設(shè)計(jì)人員，已經(jīng)利用 SiC 取得不錯(cuò)的成果。SiC 實(shí)現(xiàn)了高頻率開(kāi)關(guān)且不損失效率。簡(jiǎn)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(lái)在真實(shí)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(jiàn)的優(yōu)異選擇。因?yàn)?SiC 能為設(shè)計(jì)帶來(lái)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。

 

現(xiàn)在，SiC 已經(jīng)被驗(yàn)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(diǎn)追蹤 (MPPT)。MPPT 在本質(zhì)上是升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的效率和功率密度是至關(guān)重要的。在以前的設(shè)計(jì)之中，升壓轉(zhuǎn)換器可能是基于 IGBT 的，其器件開(kāi)關(guān)在 15–30 kHz，效率范圍在~97%。

 

通過(guò)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(duì)比

 

采用 Wolfspeed SiC 的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔：借助 SiC MOSFET 提高了開(kāi)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(shí)現(xiàn)最低的電路損耗，以及盡可能地減小尺寸，因?yàn)橐矔?huì)帶來(lái)升壓電感器、電容器和冷卻系統(tǒng)的成本降低。

 

為什么提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)帶來(lái)如此重要的影響？因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(kāi)關(guān)頻率下工作，同時(shí)提高總體效率。

 

圖 3 展示了 Si IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 器件開(kāi)關(guān)頻率的逐項(xiàng)比較，以及相關(guān)的對(duì)于升壓器被動(dòng)元件和冷卻設(shè)計(jì)的系統(tǒng)層面影響。可以清楚地看到原本大尺寸且高成本的升壓電感器、電容器和散熱器可以被盡可能地最小化，隨著 SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率提高至 60 kHz 及以上。

 

圖3. SiC 開(kāi)關(guān)頻率影響

 

在圖 4 可以看到提高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于升壓電感器價(jià)值和尺寸所產(chǎn)生的實(shí)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(duì)比

Wolfspeed SiC 現(xiàn)在可以賦能多種不同的應(yīng)用，因?yàn)?SiC 基方案已經(jīng)被證明可以比Si基方案實(shí)現(xiàn)更高效率、功率密度和系統(tǒng)成本效益。設(shè)計(jì)人員可以憑借 SiC MOSFET 的更高開(kāi)關(guān)速度、更低導(dǎo)通損耗，來(lái)減小電路磁性元件和其他被動(dòng)元件的尺寸和成本，從而實(shí)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(huì)根據(jù)應(yīng)用而有所變化。