碳化硅（SiC）技術(shù)比傳統(tǒng)硅（Si）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和其他技術(shù)更具優(yōu)勢，包括更高的開關(guān)頻率、更低的工作溫度、更高的電流和電壓容量以及更低的損耗，從而提高功率密度、可靠性和效率。本文將介紹碳化硅的發(fā)展趨勢及其在儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）中的應(yīng)用，以及Wolfspeed推出的碳化硅電源解決方案。

SiC技術(shù)大大降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，提高了效率

碳化硅已成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，正在改變電力行業(yè)在工業(yè)、能源和汽車領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，從瓦特到兆瓦。由于SiC器件在更低的溫度下運(yùn)行，而磁性器件則更小，因此熱管理和功率元件現(xiàn)在變得更小、更輕、更便宜，從而降低了總BOM成本，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸。

隨著碳化硅技術(shù)的快速發(fā)展，碳化硅解決方案也被廣泛應(yīng)用于供電系統(tǒng)，特別是在儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)和具有電池儲(chǔ)能的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器、雙向逆變器（用于AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換）和電池充電電路都可以從SiC技術(shù)中受益，從而使系統(tǒng)效率提高3%，功率密度提高50%，并減小無源元件的尺寸和成本。

典型的ESS架構(gòu)，具有電源（光伏）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池充電器和逆變器，用于將能量輸送到家庭或返回電網(wǎng)。所有三個(gè)電源模塊均采用SiC技術(shù)，從而提高了效率、尺寸、重量和成本。

例如，在將ESS中收集的能量轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)或輸送到家庭/建筑物時(shí)，通常使用用于太陽能光伏應(yīng)用的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，SiC技術(shù)具有更高的系統(tǒng)效率和功率密度，使系統(tǒng)尺寸減小70%，能耗降低60%以上，系統(tǒng)成本降低30%，使SiC技術(shù)成為ESS應(yīng)用的最佳選擇。

具有更高功率密度和系統(tǒng)效率的碳化硅解決方案

Wolfspeed推出了各種用于ESS應(yīng)用的SiC解決方案，例如肖特基二極管/MOSFET（封裝額定電流高達(dá)100 A，裸片封裝額定電流高達(dá)196 A）和功率模塊，如WolfPACK系列器件所示，其額定電流高達(dá)450 A。這些產(chǎn)品可用于單相住宅系統(tǒng)（5-15 kW）或三相商業(yè)系統(tǒng)（30-100 kW）。架構(gòu)和電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似;但是，它們可以根據(jù)功率級別進(jìn)行縮放。

以Wolfspeed CRD-60DD12N參考設(shè)計(jì)為例，它是一款基于SiC的60 kW交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器，包含多個(gè)SiC MOSFET和二極管。該架構(gòu)采用四個(gè)交錯(cuò)通道，有助于將輸出功率擴(kuò)展到60 kW，同時(shí)在850 V電壓下保持99.5%的效率直流輸出。此設(shè)計(jì)包括兩個(gè)C3M0075120K MOSFET（采用帶有開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝）、每個(gè)通道兩個(gè)C4D10120D二極管和一個(gè)CGD15SGOOD2隔離式分立式柵極驅(qū)動(dòng)器。

在CRD-60DD12N參考設(shè)計(jì)中，如果在不同的開關(guān)頻率下執(zhí)行BOM成本分析/比較，盡管更高的工作溫度可能會(huì)增加冷卻成本，但由于使用更小、更輕的元件/磁性元件，因此可以在更高的頻率（100 kHz與60 kHz）下實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。然而，一般來說，更高的頻率會(huì)帶來更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率和更低的總體成本。因此，碳化硅技術(shù)有可能以更低的價(jià)格提供更好的性能。

支持高級數(shù)字控制方案的參考設(shè)計(jì)

對于采用SiC MOSFET的簡單兩電平逆變器/有源前端（AFE）設(shè)計(jì)，Wolfspeed的參考設(shè)計(jì)突出了逆變器和DC/DC充電電路的SiC優(yōu)勢，它們可以在單相或三相模式下運(yùn)行，b可實(shí)現(xiàn)充電和放電的峰值效率超過98.5%。此參考設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器部分由一個(gè)簡單的兩電平AC/DC轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器與單相和三相連接兼容，僅使用6個(gè)SiC MOSFET。雖然這種配置可能不像大多數(shù)IGBT轉(zhuǎn)換器那樣低成本，但它在效率和損耗方面表現(xiàn)出色。另一方面，T型AC/DC轉(zhuǎn)換器可能提供相似的開關(guān)頻率和效率，但通常涉及復(fù)雜的控制、較高的器件數(shù)量和較低的功率密度。

在此參考設(shè)計(jì)中，直流母線電壓最高可達(dá)900V，而電池電壓通常保持在800V左右。由于電氣和熱應(yīng)力，Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩSiC MOSFET具有品質(zhì)因數(shù)、易于控制和V等特點(diǎn)，非常適合此應(yīng)用GS系列驅(qū)動(dòng)特性和開爾文源封裝，可降低開關(guān)損耗和串?dāng)_。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持具有不同功能的高級數(shù)字控制方案，例如單相交錯(cuò)式PFC方案或三相DQ變換空間矢量PWM方案，可平衡所有器件中的開關(guān)損耗，使其成為高度靈活的參考平臺。利用每個(gè)開關(guān)的PWM控制有助于檢測和平衡功耗，同時(shí)優(yōu)化熱性能、效率和可靠性。在單相充電的不同電壓和電流范圍內(nèi)測量不同負(fù)載下的效率時(shí)，發(fā)現(xiàn)SiC的效率高達(dá)98.5%，而IGBT可能達(dá)到96%，因此SiC的損耗降低了約38%。三相充電也實(shí)現(xiàn)了類似的峰值效率，同時(shí)熱性能在系統(tǒng)和設(shè)備限制范圍內(nèi)運(yùn)行良好。

成本更低、可控性更強(qiáng)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，最常用的解決方案是半橋和全橋LLC轉(zhuǎn)換器。Wolfspeed的CRD-22DD12N參考設(shè)計(jì)是一款22kW解決方案，可配置為級聯(lián)變頻器或單個(gè)兩電平變頻器。級聯(lián)轉(zhuǎn)換器可以使用650V Si MOSFET或SiC組件，但Si MOSFET通常具有更高的器件數(shù)量、更高的導(dǎo)通損耗、更高的控制復(fù)雜性和更高的系統(tǒng)成本。單電平轉(zhuǎn)換器使用SiC元件來提供更高的電壓（1,200 V），并以更高的頻率（200 kHz）進(jìn)行開關(guān)。在這里使用SiC元件的主要優(yōu)點(diǎn)是效率更高/損耗更低，以及一些附加功能，如零電壓導(dǎo)通、低電流關(guān)斷和更低的EMI風(fēng)險(xiǎn)。與級聯(lián)轉(zhuǎn)換器相比，單個(gè)兩電平轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更少的部件數(shù)量，這有助于降低系統(tǒng)成本并簡化控制。

在考慮這種22kW設(shè)計(jì)的功率組件時(shí)，Wolfspeed的C3M0032120K 1,200V 32mΩMOSFET可提供適合轉(zhuǎn)換器的最佳電應(yīng)力和熱特性。此外，其VGS系列可支持15 V，使其易于驅(qū)動(dòng)?？勺冎绷髂妇€電壓控制（基于檢測到的電池電壓）可實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)效率，并確保CLLC在接近諧振頻率的情況下運(yùn)行。當(dāng)電池電壓較低時(shí)，控制模式切換到移相模式，從而降低增益，而不會(huì)在諧振頻率范圍之外低效地運(yùn)行。

這樣，這意味著使用相同的硬件可以在較低的輸出電壓下實(shí)現(xiàn)類似的高效率。如果需要更低的電池電壓，可以將CLLC初級設(shè)置為半橋，這進(jìn)一步降低了增益，但仍能保持一定的效率。由于較低的運(yùn)行成本和不那么嚴(yán)格的熱設(shè)計(jì)，這種較低的效率仍然是可以接受的。

該轉(zhuǎn)換器的效率結(jié)果與逆變器參考設(shè)計(jì)相似，在大多數(shù)負(fù)載范圍內(nèi)的峰值效率為98.5%。在設(shè)計(jì)進(jìn)入半橋模式之前，可變直流母線電壓和由此產(chǎn)生的效率保持在97%以上，這限制了充電期間的效率和功率傳輸能力。通常，使用SiC MOSFET和靈活的控制方案可實(shí)現(xiàn)高效率（>98.5%的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L）雙向充電器，支持單相和三相交流輸入。與硅相比，由于柵極驅(qū)動(dòng)的簡單性，可以以更低的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度，從而減少熱管理組件、減少部件數(shù)量和更小的磁性元件。

碳化硅元件在工業(yè)應(yīng)用方面受益匪淺，這主要是因?yàn)樗鼈兙哂袩崽匦院透斓拈_關(guān)速度和更低的損耗。SiC MOSFET在較高溫度下表現(xiàn)出較低的導(dǎo)通損耗，因?yàn)閷?dǎo)通電阻對溫度的依賴性較小，因此可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。此外，高性能體二極管可在諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高可靠性，而較小的輸出電容則更容易在LLC轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

另一方面，SiC的典型尺寸/重量優(yōu)于Si組件（額定電壓為650 V）。通常，硅元件需要變壓器和諧振電感器，而SiC配置可以集成變壓器/電感器，這將節(jié)省重量和空間。

無論是使用分立式解決方案還是高功率模塊，碳化硅在從住宅到工業(yè)的儲(chǔ)能應(yīng)用中都顯示出巨大的機(jī)會(huì)，能夠以低成本和小尺寸實(shí)現(xiàn)最靈活、可擴(kuò)展、高性能的設(shè)計(jì)。在開發(fā)電源應(yīng)用時(shí)，它將是您的最佳選擇之一。

審核編輯：湯梓紅