隨著世界朝著可持續(xù)、更綠色的未來邁進,許多國家正在減少化石燃料發(fā)電,轉(zhuǎn)而使用可再生能源。2010 年至 2020 年間,新的公用事業(yè)規(guī)模太陽能光伏 (PV) 項目的全球加權(quán)平均電力成本下降了 85%,陸上風電下降了 56%,海上風電下降了 48%。因此,可再生能源已成為幾乎所有國家增加能源產(chǎn)能的典型途徑,2010 年至 2020 年期間,包括離網(wǎng)在內(nèi)的累計光伏裝置的年復(fù)合增長率達到 34% 。1
這種增長將隨著提高能源效率的增加而繼續(xù)。國際可再生能源機構(gòu) (IRENA) 的一份報告稱,將全球變暖限制在 1.5?C 將需要每年減少 36.9 吉噸的 CO 2排放量,并建議將太陽能光伏發(fā)電量增加 444 吉瓦/年,風能發(fā)電量增加 248 吉瓦/年。到 2050 年。IRENA 估計,可再生能源和能源效率的顯著提高可以為實現(xiàn)目標減排貢獻不少于 25%,而通過交通等應(yīng)用的電氣化可以實現(xiàn)另外 20%。2
雖然對新型風力渦輪機設(shè)計和基于鈣鈦礦的太陽能電池的研究正在推動能量轉(zhuǎn)換效率的極限,但從發(fā)電到應(yīng)用可再生能源之間的功率半導(dǎo)體鏈不再需要成為從太陽到車輪的薄弱環(huán)節(jié)。如今,只需在能源連接、分配和存儲系統(tǒng)中將傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)替換為碳化硅,就可以獲得巨大的尺寸、重量、功率和成本優(yōu)勢。
電力電子鏈的高效率
對于 5 至 15 kW 住宅單相和 30 至 100 kW 商用三相架構(gòu),太陽能電池板陣列用于增加電壓并減少連接和電纜中的 I 2 R 損耗。光伏陣列電壓通常被提升到穩(wěn)壓直流電,為儲能系統(tǒng) (ESS) 充電,這有助于克服太陽能發(fā)電典型的功率波動。穩(wěn)壓直流提供給逆變器進行直流/交流轉(zhuǎn)換,而最大功率點跟蹤 (MPPT) 控制器優(yōu)化面板上的負載以實現(xiàn)最高能效。
Wolfspeed 提供的 SiC 器件適合該電力電子鏈中的每個階段,以及從住宅到輕型商業(yè)到公用事業(yè)規(guī)模的應(yīng)用所需的功率水平。該公司的技術(shù)可幫助設(shè)計人員以更低的系統(tǒng)成本實現(xiàn)更高的系統(tǒng)級效率和功率密度——這些都是可再生能源市場的主要驅(qū)動因素(圖 1)。
直流/直流升壓
DC/DC 部分用于提升可變光伏面板電壓。通過用 Wolfspeed 的 SiC 模塊替換本節(jié)中用于串型逆變器的硅二極管和 MOSFET,設(shè)計人員可以將系統(tǒng)尺寸減小 70%,將系統(tǒng)效率提高 1%,同時將總體成本降低 30%。這是能夠使用更高開關(guān)頻率的直接結(jié)果,從而減少了電感器、電容器、濾波器和變壓器的尺寸、成本和封裝。
儲能系統(tǒng)
ESS 應(yīng)用通過滿足 DC/DC 升壓/MPPT、雙向有源前端和直流電池充電器中硅留下的系統(tǒng)要求差距,為從住宅到工業(yè)應(yīng)用的 SiC 實施提供了巨大的機會。
Wolfspeed 對其 SiC 解決方案的測試表明,系統(tǒng)效率提高了近 3%,功率密度提高了 50%,并且顯著降低了無源元件體積和無源 BOM 成本。
圖 1:Wolfspeed 提供適合電力電子鏈中每個階段的 SiC 器件,從 DC/DC 升壓到快速充電器——從太陽到車輪。
從 3.3 kV 到 20+ kV 的中高壓 (MV/HV) SiC MOSFET 模塊開辟了多個現(xiàn)有和新興應(yīng)用空間,包括并網(wǎng)逆變器、增壓器和牽引。
并網(wǎng)光伏逆變器
借助中壓/高壓 SiC 器件,這些逆變器可以將太陽能發(fā)電場直接連接到電網(wǎng),從而消除電力電子鏈中笨重、昂貴且有損耗的變壓器。這降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運營和場地成本。
例如,這樣的 2-MVA 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將包括以 40 kHz 運行的 Wolfspeed 1,700-V SiC 半橋模塊、40 kHz 的較小中頻變壓器和 10 kHz 的 Wolfspeed 10-kV SiC 模塊. 不包括變壓器,它的重量不到 1,000 磅,并實現(xiàn)超過 98% 的 CEC 效率。
直流快充
傳統(tǒng)的快速充電器通常使用低頻變壓器,這會使整個系統(tǒng)重量增加數(shù)千磅。這種類型的 500-kVA 系統(tǒng)將是一個 5,190 升、3,537-kg 的充電器,功率損耗大于 28-kW。
基于 Wolfspeed 的 6.5-kV SiC 和 >20-kHz 固態(tài)變壓器的現(xiàn)代 500-kVA 快速充電器是一個 1,298 升、530 公斤的系統(tǒng),功率損耗為 11.25 千瓦。因此,基于 SiC 的直流快速充電器可以在不到 4 分鐘的時間內(nèi)實現(xiàn)完全充電,系統(tǒng)體積小 >75%,重量輕 >85%,損耗降低 >60%,成本降低 >40%。
牽引力和機動性
MV/HV SiC 模塊可以將運輸?shù)哪耆剂舷慕档?1% 到 4%,并且在重型設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)中,可以顯著節(jié)省驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻和布線。
滿足廣泛應(yīng)用范圍的額定值
Wolfspeed 提供涵蓋業(yè)界最廣泛應(yīng)用功率規(guī)模的 SiC 分立器件和模塊(圖 2)。該公司的 MV/HV 解決方案,額定從 3.3-kV LM3 模塊到 6.5-kV MM3 和 10-kV XHV-9 模塊,可滿足上述應(yīng)用的廣泛電壓、電流和隔離要求。
圖 2:Wolfspeed 的 SiC 產(chǎn)品組合為可再生能源應(yīng)用提供了從不到 2 kW 到兆瓦級的功率可擴展性。
作為市場份額最大且不斷增長的垂直整合型 SiC 供應(yīng)商,Wolfspeed 擁有超過 30 年的經(jīng)驗,數(shù)百萬個 MOSFET 和二極管在該領(lǐng)域運行數(shù)萬億小時。
要與專家討論 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢以及最適合您應(yīng)用的設(shè)備,請聯(lián)系 Wolfspeed。
參考
1弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所。(2022 年)。“光伏報告。” bit.ly/393k3eo
2國際可再生能源署。(2022 年)。“2022 年世界能源轉(zhuǎn)型展望”。國際標準書號:978-92-9260-429-5。bit.ly/3x4Stpb
審核編輯 黃昊宇
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