碳化硅功率器件助力实现更好的储能

在本文中，我们将重点介绍Wolfspeed电力营销高级总监Guy Moxey在最近的Electronica 2022电力论坛上的演讲。Wolfspeed是碳化硅（SiC）功率器件技术的全球领导者。他们在这一领域拥有数十年的经验，现在拥有世界上第一个也是最大的200毫米SiC器件晶圆厂，以及SiC基板和外延生长制造设施。Wolfspeed SiC 产品涵盖一系列功率范围，从使用600至1.7kV分立器件产品时的5-10kW应用，到额定电压为3.3kV至10kV的半桥功率模块，可用于兆瓦级能量转换应用。如图1所示。

图1：Wolfspeed的SiC 产品所涵盖的功率范围

Wolfspeed的SiC功率器件目前广泛用于电源、电池充电和牵引驱动的电池电动汽车 （BEV）功率转换、工业电机驱动以及太阳能和风能逆变器等可再生能源发电系统等应用。

SiC还支持未来的应用，例如：

• 大规模可再生能源使用和储能

• 中压（>2kV）工业驱动器、火车、电网功率转换

• 电动飞机

• 快速充电

让我们更详细地看一下与储能相关的一些具体应用示例，SiC在图1所示的功率谱中支持储能。

面向太阳能和电动汽车的住宅储能解决方案（ESS）

在每个家庭中都有一个ESS以利用可再生能源，并与该家庭使用的电动汽车进行双向连接，这是许多国家正在推动的未来趋势。这里的目标是仅在必要时使用电网电源。在住宅太阳能应用中，功率水平通常为<15kW，电压在90-240V范围内。例如，房屋屋顶上的太阳能电池板将提供直流电为直流储能电池（ESS）充电，连接到ESS的微型逆变器为家庭供电或返回电网。因此，需要双向性。一些关键要求是尺寸、容量、效率和成本。与基于Si的电池充电器相比，基于SiC的ESS电池充电器具有许多优势。图2显示了一个具体示例，其中含有一个交流供电的15-20kW充电器模块。

图2：15kW Si IGBT和Wolfspeed 20kW SiC ESS电池充电器在（a）尺寸和（b）系统成本方面的比较。

例如，对于功率为100kW或更高的EV电池进行车载外充电，电压水平可以是400V，在这种情况下，可以使用模块功率单元。与Si IGBT示例相比，更紧凑、更高效的SiC解决方案效率提高了1-2%，功率密度提高了35-50%。整体系统成本更低，因为较高的SiC开关频率降低了无源器件的尺寸和成本，而在整个温度范围内改进的导通电阻降低了传导损耗。系统损耗的整体降低以及SiC导热性的提高降低了冷却成本。

工业太阳能MPPT升压组串逆变器

图3所示的示例是一个60kW MPPT（最大功率点跟踪）升压+组串逆变器，可用于工业能源应用。这里的直流电压水平可能要高得多，例如：800–1500V，这在减少布线损耗方面具有优势。

图3：60kW Si IGBT和Wolfspeed 50 kW SiC MPPT升压太阳能串逆变器的比较

这里比较的Si IGBT开关频率为10-15kHz，因此需要大升压电感器，而SiC的开关频率为75–100kHz。基于SiC的系统在提高功率转换效率的同时，提供了高达3倍的尺寸优势和10倍的重量减轻。这种尺寸/重量优势可以大大降低安装成本。在公用事业规模级别，可以拥有一堆这样的组串式逆变器来转换MW级功率，这将安装成本优势进一步放大。

用以下等式表示ESOI（投资能源节省的能源）：

ESOI=在整个使用生命周期内节省的能源/生产碳化硅MOSFET与硅IGBT的边际能源成本

它表明，尽管SiC制造更复杂，使用更多的能量，但根据位置阳光较多的地方，计算的ESOI数为55至77，具体取决于位置（阳光较多的地方的数字更高）。这意味着每年可节省100kWh的能源，凸显了提高能源效率在此类应用中的关键作用。

不间断电源/储能充电系统

在本例中，考虑了图4所示的200kW UPS系统。它由放置在DC-DC转换器之间的逆变器/整流器组成。这里比较的Si IGBT开关频率为8kHz，而Wolfspeed的SiC功率模块的开关频率为25kHz。逆变器和DC-DC级使用SiC的效率都明显提高，从而将开关损耗总体降低40.4%，冷却量减少42%。所需的电感可以减少37%，而直流链路电容器可以从2322μF降低到740μF。

图4：200kW硅IGBT和Wolfspeed UPS/ESS充电器系统的比较

中压（MV）并网太阳能逆变器

Wolfspeed生产的高压/大功率SiC模块使得公用事业规模的太阳能直接连接到电网，例如在9-13.8kV的MV电网。在此功率/电压范围内工作的基于SiC的固态变压器（SST）可以以高达10kHz的频率进行切换。相比之下，传统硅解决方案可能达到几百Hz。更高的频率可显著减小电感器/隔离变压器的尺寸。

图5：采用Wolfspeed SiC产品的2MVA并网太阳能逆变器

适配中压电网的商用DCFC

最后，让我们看一个未来可能会广泛使用的例子，因为电动汽车的采用在未来几年加速。直流快速充电（DCFC）可在新的800V电池总线电压下显著缩短充电时间。图6显示了Wolfspeed基于6.5kV SiC模块的SST充电器示例，该充电器可以连接到MV电网并具有自己的能量存储。该模块可以在高达20kHz的频率下进行开关，因此与通常用于这些电压的低频变压器相比，具有显着的尺寸和重量优势。这里考虑的500kW充电器表明，通过消除60Hz变压器以及减少布线和冷却要求，成本降低了40%。该系统可以比基于硅的解决方案小75%以上，并在4分钟内为电动汽车电池充满电。

图6：（a）连接到中压电网的500kW DCFC电动汽车充电器原理图和（b）性能比较。

从以上实例可以看出，SiC功率解决方案是未来绿色能源生产和存储应用的重要使能组件。Wolfspeed广泛的碳化硅功率产品，以及其大批量生产能力，使其完全有能力成为该领域的主要供应商。

来源：星辰工业电子简讯