Wolfspeed SiC 助力實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型

如今，世界各地的人們?cè)絹?lái)越多地盡可能選擇可再生能源。各類消費(fèi)者和大大小小的企業(yè)都將太陽(yáng)能視為一種可行、清潔、便利的能源形式。無(wú)論是安裝在空間緊湊的住宅屋頂，還是安裝在商業(yè)樓宇之上，利用光伏板收集太陽(yáng)能都可謂一種可擴(kuò)展的可再生方法。 高效功率轉(zhuǎn)換的重要意義

收集太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的交流電網(wǎng)電壓涉及多級(jí)轉(zhuǎn)換，而每級(jí)轉(zhuǎn)換都會(huì)遭受一些損耗。能量轉(zhuǎn)換損耗表現(xiàn)的形式多種多樣（如廢熱和電壓降低），但無(wú)論何種形式，都會(huì)共同導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低下，造成得到的比投入的要少。

設(shè)計(jì)一種高效的能量轉(zhuǎn)換架構(gòu)就變得尤為重要。如果要降低損耗，就需要深入了解損耗發(fā)生的位置，包括導(dǎo)體的I2R損耗、半導(dǎo)體導(dǎo)通損耗以及發(fā)生在相關(guān)無(wú)源元件中的損耗。通常，能量損耗致使產(chǎn)生熱量，這些熱量需要借助散熱器或強(qiáng)制風(fēng)冷裝置予以消散，而這會(huì)增加額外的重量和成本，并會(huì)擴(kuò)大整體的占用空間。此外，在高溫下操作電子元件會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而導(dǎo)致代價(jià)不菲的停機(jī)時(shí)間和潛在的收入損失。

在這一領(lǐng)域，硅基半導(dǎo)體從一開(kāi)始就占據(jù)了主導(dǎo)地位，但對(duì)更緊湊、更高效、更低成本功率轉(zhuǎn)換的需求推動(dòng)了對(duì)新型半導(dǎo)體技術(shù)的研究。與硅相比，碳化硅 (SiC) 等寬禁帶材料可在更高開(kāi)關(guān)頻率及更高電壓下工作，并且具有更寬泛的工作溫度范圍，可實(shí)現(xiàn)體積更小、更緊湊的設(shè)計(jì)，并可提高系統(tǒng)級(jí)的功率密度。

太陽(yáng)能逆變器使用案例比較

在太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)所用的逆變器中，硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 歷來(lái)都被用作大功率開(kāi)關(guān)晶體管。但 Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V SiC MOSFET 以及相關(guān)的 SiC 二極管可提供顯著優(yōu)勢(shì)，包括將系統(tǒng)損耗降低 70%、將重量減輕 80%（對(duì)于 60 kW 逆變器）、將系統(tǒng)成本削減高達(dá) 15%。此外，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 具有在溫度范圍內(nèi)業(yè)界領(lǐng)先的 Rds(on) 特性，以及與硅基同類產(chǎn)品相比，降低 30% 的峰值反向恢復(fù)電流。

圖 1 顯示的是 60 kW 太陽(yáng)能逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的高級(jí)架構(gòu)。800 Vout MPPT 升壓電路、400 VAC 三相逆變器和 400 V 電池充電器/儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 這三個(gè)功能級(jí)需要開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體。與 IGBT 相比，采用Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管相結(jié)合的方法，可使整體系統(tǒng)效率提高 3%，等效于降低 70% 的系統(tǒng)損耗。

圖 1：商用 60 kW 太陽(yáng)能逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的 高級(jí)功能架構(gòu)

圖 2 詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)級(jí)在效率、功率密度和功耗降低方面的獲益。此例中，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的工作頻率為 45kHz 或更高，相比之下，IGBT 的工作頻率為 16 kHz。



圖 2：Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和僅硅基方式 在效率、功率密度和損耗方面的比較

與 IGBT 相比，Wolfspeed 的 SiC MOSFET（如圖 2 中 30 kW 升壓電路部分所使用的 C3M0040120K 1200 V 器件）可在高得多的開(kāi)關(guān)頻率下工作，使得可以使用體積更小的電感器和電容元件，從而進(jìn)一步有助于減少逆變器的占用空間。作為 SiC MOSFET 的補(bǔ)充，Wolfspeed 的 SiC 二極管（例如 C4D30120H 1200 V 肖特基二極管）提供了高效的配對(duì)組合。

與基于 IGBT 的裝置相比，使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管設(shè)計(jì)的逆變器重量可減輕多達(dá) 80%。例如，一個(gè) 60 kW IGBT 逆變器重 173 kg（約 380.6 磅），而基于 Wolfspeed 碳化硅的逆變器重 33 kg（約 72.6 磅）。由于安裝 IGBT 系統(tǒng)需要起重機(jī)和多名人員，因此，這種重量減輕可在裝配過(guò)程中帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。重量減輕使得安裝和調(diào)試 SiC 逆變器所需的人員更少，總體實(shí)施成本降低，裝配過(guò)程的效率也大大提高。

圖 3：利用 Wolfspeed SiC 解決方案設(shè)計(jì)

重量可減輕多達(dá) 80% 的逆變器

將 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 用于三相 60 kW 太陽(yáng)能逆變器所獲得的益處，同樣適用于戶用太陽(yáng)能裝置使用的小型單相逆變器。對(duì)于戶用逆變器，SiC 簡(jiǎn)化了逆變器的設(shè)計(jì)，而且得益于 Wolfspeed SiC MOSFET 的恢復(fù)損耗屬性減少，損耗可降低 80% 以上。

圖 4 顯示的是單相 7 kW 戶用逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)和逆變器級(jí)。對(duì)于所有太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)而言，升壓功能都是一個(gè)關(guān)鍵方面，這是因?yàn)殡S著天氣條件的變化，電池板的輸入電壓在白天會(huì)有很大變化。通過(guò)將逆變器的輸入電壓提升到一致的 400 V，系統(tǒng)可更高效地運(yùn)行，逆變器也會(huì)提供可靠的 220 VAC 輸出。Heric 拓?fù)淠孀兤鞑捎盟膫€(gè) Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET，與采用 IGBT 器件相比，可將損耗降低 17%。升壓功能采用 Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC 肖特基二極管。與其他硅二極管相比，Wolfspeed 二極管表現(xiàn)出零反向恢復(fù)特性，使得可進(jìn)行超快速開(kāi)關(guān)操作，并且具有在溫度范圍內(nèi)的最低正向電壓降特性，以及與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)行為。



圖 4：?jiǎn)蜗?7 kW 戶用太陽(yáng)能逆變器的 MPPT 升壓級(jí)和逆變器級(jí)

為加快單相太陽(yáng)能逆變器的開(kāi)發(fā)，Wolfspeed 提供了一種 60 kW 升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)。CRD-60DD12N 參考設(shè)計(jì)包括原理圖、PCB 布局和 BOM，并采用 Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 和 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 肖特基二極管。60 kW 設(shè)計(jì)可在高達(dá) 78 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下工作，峰值效率高達(dá) 99.5%。

Wolfspeed SiC 設(shè)計(jì)資源

立即開(kāi)始使用 Wolfspeed SpeedFit 設(shè)計(jì)仿真器進(jìn)行您的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)仿真，并了解使用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 和二極管所帶來(lái)的諸多益處。SpeedFit 可提供易于使用的在線界面，從而快速運(yùn)行仿真，預(yù)測(cè)導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，評(píng)估性能隨 Rg 的變化情況，并比較不同的器件和熱配置。

審核編輯：劉清