先進(jìn)碳化硅技術(shù)，有效助力儲能系統(tǒng)

人們普遍認(rèn)識到，碳化硅（SiC）現(xiàn)在作為一種成熟的技術(shù)，在從瓦特到兆瓦功率范圍的很多應(yīng)用中改變了電力行業(yè)，覆蓋工業(yè)、能源和汽車等眾多領(lǐng)域。這主要是由于它比以前的硅（Si）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的應(yīng)用具有更多優(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，進(jìn)而可以實現(xiàn)更高的功率密度，可靠性和效率。得益于更低的溫度和更小的磁性元件，熱管理和電源組件現(xiàn)在尺寸更小，重量更輕，成本更低，從而降低了總 BOM 成本，同時也實現(xiàn)了更小的占用空間。

SiC 已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)，并成為需要電力傳輸系統(tǒng)的一種非常常見的解決方案，特別是在儲能應(yīng)用中，如電動汽車充電和附加電池的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)一般包含幾個應(yīng)用 SiC 技術(shù)的器件，如 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器，雙向逆變器（交流電和直流電互相轉(zhuǎn)換），和靈活的電池充電電路。簡而言之，SiC 使系統(tǒng)效率提高了 3%，功率密度提高了 50%，并減少了無源元件的體積和成本。

大多數(shù)儲能系統(tǒng)（ESS）都有多個能源轉(zhuǎn)換步驟，可以從 SiC 器件中獲益。Wolfspeed 提供了多種封裝的器件，如肖特基二極管 / MOSFET（具有高達(dá) 100 A 額定電流封裝 / 196 A 裸片封裝）和 WolfPACK 系列器件中所使用的具有高達(dá) 450 A 額定電流的功率模塊。無論是單相家用系統(tǒng)（5 - 15 kW）還是三相商用系統(tǒng)（30 - 100 kW），其架構(gòu)和電源電路拓?fù)浠鞠嗨?；但是它們可以根?jù)功率級別進(jìn)行調(diào)整。

圖1 為一個典型的 ESS 架構(gòu)，包含了電源（光伏 PV，值得注意的是， 這個應(yīng)用可以使用任何替代能源替換）， DC/DC 轉(zhuǎn)換器，電池充電機(jī)，把能量輸送到家庭端或輸送回電網(wǎng)的逆變器。這種配置下的三個電源模塊中，SiC 可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。

圖 1：家用或商用的 ESS 配置

#1 SiC 在 ESS 電源模塊中的優(yōu)勢

如上所示，當(dāng)對收集到的能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將其用于存儲或為住宅/建筑供電時，涉及到幾個能源轉(zhuǎn)換步驟。DC/DC 轉(zhuǎn)換通常由一個用于光伏應(yīng)用的升壓變換器實現(xiàn)，這時更高的系統(tǒng)效率和功率密度會發(fā)揮更大作用。與 Si 等傳統(tǒng)技術(shù)相比，SiC 技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢包括系統(tǒng)尺寸減少 70%，能源消耗減少 60% 以上，系統(tǒng)成本降低 30% 之多。

圖 2 為基于 SiC 的 60 kW 交錯升壓變換器（來自 Wolfspeed 參考設(shè)計 CRD-60DD12N）的示例，其中包含幾個 SiC MOSFET 和二極管。四路交錯并聯(lián)幫助調(diào)節(jié)輸出功率高達(dá) 60 kW，同時在輸出 850 VDC 時保持 99.5% 的效率。該設(shè)計包含兩個 C3M0075120K MOSFET（帶開爾文源極引腳的 TO-247-4L 封裝），每路拓?fù)溆袃蓚€ C4D10120D 二極管和一個 CGD15SGOOD2 隔離式柵極驅(qū)動器。

圖 2：基于 SiC 的 60 kW 交錯升壓變換器的參考設(shè)計

在上圖的參考設(shè)計中，對不同開關(guān)頻率下的 BOM 成本進(jìn)行了分析/對比。在更高的頻率下（100 kHz 相對于 60 kHz），得益于更小、更輕的組件/磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統(tǒng)可能會由于更高的運(yùn)行溫度而增加一些成本。但總的來說，更高的頻率通常意味著更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率和更低的成本。這就是為何 SiC 能夠以更低的價格提供更好的性能。

另一個 Wolfspeed 參考設(shè)計（圖3）突出了 SiC 在逆變器和 DC/DC 充電電路中的優(yōu)勢。該設(shè)計在單相或三相模式下運(yùn)行，充電和放電的峰值效率大于 98.5%。變換器部分包括一個簡單兩電平 AC/DC 變換器，兼容單相和三相連接，并且只有 6 個 SiC MOSFET。這種應(yīng)用不像大多數(shù)的 IGBT 轉(zhuǎn)換器那樣成本低廉，但會在效率和損耗方面表現(xiàn)得更好。雖然 T 型 AC/DC 變換器提供了相似的開關(guān)頻率和效率，但它往往擁有復(fù)雜的控制系統(tǒng)和更多數(shù)量的部件與較低的功率密度。

圖 3：采用 SiC MOSFET 的簡單兩電平逆變器 / AFE

在上圖的設(shè)計中，直流輸出電壓可以高達(dá) 900 V，而電池電壓通常在 800 V 左右。受電熱應(yīng)力的影響，Wolfspeed 公司的 C3M0032120K 1200 V 32 mΩ SiC MOSFET 是非常合適的，因為它具有一流的品質(zhì)因數(shù)、易于控制和 Vgs 驅(qū)動特性、開爾文源極封裝等優(yōu)點(diǎn)，可以減少開關(guān)損耗和串?dāng)_等問題。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于可實現(xiàn)不同功能的先進(jìn)數(shù)控方案，如單相交錯 PFC 方案或基于 DQ 變換的三相空間矢量 PWM 方案，這些方案可以達(dá)成所有器件開關(guān)損耗的平衡，進(jìn)而形成一個非常靈活的參考平臺。利用 PWM 控制開關(guān)有助于檢測和功耗平衡，同時優(yōu)化熱性能，提高效率和可靠性。

在測試、測量各種負(fù)載下的效率和單相充電的電壓范圍時，結(jié)果表明，SiC 的效率高達(dá) 98.5%，而 IGBT 的最高效率為 96%， 因此 SiC 的損耗降低約 38%。圖 4 顯示了在不同功率水平下充電和放電的 AFE 的兩組圖表。

圖 4：在多個功率級別下

充電（左）和放電（右）模式的 AFE 效率

三相充電實現(xiàn)了相同的峰值效率，同時在系統(tǒng)和設(shè)備限制下熱性能也運(yùn)行良好。盡管 T 型拓?fù)湟部梢赃_(dá)到類似的性能，但它通常更復(fù)雜，成本更高。

對 22 kW 逆變器 / AFE 配置總結(jié)一下，C3M0032120K SiC MOSTET 和靈活的控制方案可以實現(xiàn)高效率（>98.5%），高功率密度（4.6 W/L），低損耗（60%），以及雙向工作，支持來自三相 AC 和單相 AC 輸入，也支持輸出 200 - 800 VDC 的電池電壓范圍。

#2 SiC 在 DC/DC 電池充電電路中的優(yōu)勢

很多拓?fù)渲С指綦x型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。然而，最主流的解決方案是半橋 LLC 和全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。參考設(shè)計（Wolfspeed 的 CRD-22DD12N）展示了一種 22 kW 的解決方案，可配置在級聯(lián)變換器或單個兩級變換器。級聯(lián)變換器可以使用 650V Si MOSFET 或 SiC 器件，但通常會需要更多數(shù)量的部件，更高的導(dǎo)通損耗，更復(fù)雜的控制，以及更高的系統(tǒng)成本。使用 SiC 器件的單級兩電平變換器可在更高的電壓（1200 V）和高達(dá) 200 kHz 的開關(guān)頻率下工作。SiC 基的最大優(yōu)勢是更高的效率/更低的損耗，并具有一些額外的特性，如零電壓導(dǎo)通、低電流關(guān)斷和更低的電磁干擾 EMI 風(fēng)險。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比級聯(lián)變換器的部件數(shù)更少，有助于降低系統(tǒng)成本，提供更簡單的控制。圖 5 展示了這兩種拓?fù)涞牟町悺?/p>

圖 5：22 kW 全橋 CLLC DC/DC 變換器 

- 級聯(lián)（左）和單級兩電平（右）

當(dāng)考慮 22 kW 設(shè)計的功率元件時，再次證明了 C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET 提供了最佳的電應(yīng)力和熱特性來配適轉(zhuǎn)換器。此外，它的 Vgs 可以支持 15 V，使之更易驅(qū)動?？勺冎绷麈溌冯妷嚎刂疲ɑ诟兄碾姵仉妷海┦瓜到y(tǒng)效率達(dá)到最佳，并確保 CLLC 運(yùn)行接近諧振頻率。當(dāng)電池電壓較低時，控制切換到相移模式，這樣就降低了增益，防止在諧振頻率范圍外低效地運(yùn)行。這意味著使用相同的硬件也可以在較低的輸出電壓下實現(xiàn)類似的高效率。如果需要更低的電池電壓，CLLC 原邊可以作為半橋運(yùn)行，這進(jìn)一步降低了增益，但保持了效率區(qū)。由于運(yùn)行成本較低，熱設(shè)計不那么嚴(yán)格，這種低效率仍然可以接受。

圖 6 顯示了全橋配置的充電和放電模式的波形。充電模式圖顯示零電壓導(dǎo)通，低電流關(guān)斷，運(yùn)行效率高。波形也非常干凈，有低過沖開關(guān)，有助于消除 EMI 問題。

圖 6：22 kW SiC DC/DC變換器的充放電模式

轉(zhuǎn)換器的效率值與逆變器參考設(shè)計相似，在大多數(shù)負(fù)載上的峰值效率為 98.5%。在設(shè)計采用半橋模式之前，可變直流鏈路電壓和最終效率都保持在 97% 以上，這限制了充電時的效率和功率傳輸能力。一般來說，SiC MOSFET 加上靈活的控制方案可以實現(xiàn)高效率（>98.5% 的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L），支持單相 AC 和三相 AC 輸入的雙向充電。與 Si 相比，由于柵極驅(qū)動器的簡單性、熱管理組件、減少的部件數(shù)量和更小的磁性元件，它實現(xiàn)了更高的效率和功率密度，進(jìn)而成本得以明顯降低。

 #3 總結(jié) Wolfspeed SiC 的優(yōu)勢

碳化硅器件使得如今的工業(yè)獲得極大發(fā)展，主要得益于其熱性能、更快的開關(guān)和更低的損耗。由于導(dǎo)通電阻對溫度的依賴性較低，MOSFET 在較高溫度下的導(dǎo)通損耗較低，并能實現(xiàn)高頻開關(guān)。此外，高性能體二極管允許高可靠性的諧振變換器應(yīng)用，而較小的輸出電容使 LLC 變換器實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通變得容易。

圖 7 顯示了 SiC 對比 Si 器件（額定 650 V）在尺寸/重量上的獨(dú)特優(yōu)勢。通常，硅器件需要一個變壓器和諧振電感，而 SiC 配置可以不用集成變壓器/電感，節(jié)省了重量和空間。

圖 7：SiC 和 Si 在尺寸和重量上的對比

在效率方面，中等負(fù)載的峰值為 98.5%（如前面示例所示），但在輸入范圍的最大負(fù)載時，峰值大于 97.5%。Wolfspeed SiC 器件系列適應(yīng)于應(yīng)用的所有功率范圍，范圍從 1 千瓦到兆瓦不等，也可用于大功率模塊。Wolfspeed 系列有適合低應(yīng)用的分立式解決方案、適合中功率級別的 WolfPACK 模塊、以及適合高端的大功率模塊解決方案，設(shè)計人員可以在降低 BOM 成本和優(yōu)化物理尺寸 / 布局的同時，選擇多種拓?fù)浜驮戳?。功率模塊將最大限度地提高功率密度，簡化布局和配件（符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的占用空間），支持高功率系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并在較低的勞力和元件成本下確保最高的效率和可靠性。

Wolfspeed 提供了多種拓?fù)涞膮⒖荚O(shè)計和評估工具包，如 AC/DC 功率因數(shù)校正、降壓型/升壓型 DC/DC、高頻 DC/DC 和雙向 AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 工具包。SpeedFit 設(shè)計模擬器有助于描述系統(tǒng)級電路的特征，為通用拓?fù)浣＃槟愕碾娮討?yīng)用選擇合適的 SiC 器件。

無論是使用分立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業(yè)的儲能應(yīng)用，SiC 都顯示出了巨大的商機(jī)，Wolfspeed 的組合/資源可以在確保低成本、小空間的同時實現(xiàn)最靈活、可擴(kuò)展、高性能的設(shè)計。