使用SiC實現太陽能和可再生能源功率轉換

風能和太陽能等基本可再生能源解決方案通常與儲能相結合，是該行業增長最快的領域之一，而寬帶隙碳化硅 (SiC)技術是這些解決方案的核心。終端系統設計人員已經確定，碳化硅功率半導體能夠實現比硅 (Si) 更高效、更小且更具成本效益的解決方案。碳化硅組件明顯更加可靠，并且在處理電網級電壓方面具有卓越的性能。

可再生能源系統中的 SiC 與 Si 器件

Wolfspeed 致力于 SiC 領域，擁有 30 多年的廣泛研究，并擁有適用于所有重視效率、功率密度和整體系統成本的電源應用的多樣化寬帶隙 SiC 器件組合。

圖 1：Wolfspeed SiC 實現太陽能 DC/DC 和 DC/AC 電源轉換。

太陽能或儲能等可再生能源領域的硬件設計人員已經利用碳化硅取得了成果。SiC 可實現高頻開關而不損失效率；簡而言之，這意味著更小的電路磁性和更平坦的導通電阻 (R DS(on) ) 在溫度范圍內，從而在真實工作條件下降低傳導損耗。無論是提高光伏電池板的功率還是將功率逆變回電網，碳化硅都是一個明確的選擇，因為它通過提高功率密度、減小系統的尺寸和重量以及平衡系統成本來實現設計。

Wolfspeed SiC 的實際設計影響

目前，事實證明 SiC 比傳統使用的硅更有效。太陽能串系統在一系列電池板和并網逆變器之間實現最大功率點跟蹤 (MPPT)。MPPT 本質上是一個升壓轉換器，其中效率和功率密度對系統設計的性能至關重要。在過去的設計中，升壓器將基于 IGBT，器件的開關頻率為 15–30 kHz，效率在 ~97% 的范圍內。

通過使用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二極管實現相同的升壓電路，系統級效率現在達到了 99.5% 的峰值，同時顯著改善了整體 MPPT 尺寸和成本（圖 2）。

圖 2：IGBT 50-kW MPPT 升壓器（左）與 Wolfspeed 的 SiC 60-kW MPPT 升壓器（右）的物理尺寸對比

Wolfspeed SiC 的設計實現很簡單：提高 SiC MOSFET 的開關頻率并利用 SiC 升壓二極管的近零反向恢復特性。這有助于實現最低的電路損耗，同時最小化升壓電感器、電容器和冷卻系統的尺寸，從而降低成本。

性能比較

為什么增加開關頻率會產生如此大的影響？因為使用 Wolfspeed 碳化硅器件，該系統可以在 IGBT 開關頻率的 3 至 4 倍下運行，同時提高整體效率。

圖 3 顯示了硅 IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 之間的器件開關頻率的并排比較，以及對升壓器無源元件和冷卻設計的相關系統級影響?？梢郧宄乜吹?，隨著 SiC MOSFET 開關頻率增加到 60 kHz 及更高，體積大且成本高的升壓電感器、電容器和散熱器可以最小化。

圖 3：碳化硅開關頻率效應

從圖 4 中可以看出，增加開關頻率對升壓電感器的值和尺寸的實際影響。升壓扼流圈的尺寸可以減少到 16kHz IGBT 解決方案的一半，成本可以降低約 40%。

圖 4：使用 IGBT 和 SiC MOSFET 的升壓電感器選擇（SiC MOSFET = 47 kHz，140 μH）

結論

Wolfspeed SiC 目前支持廣泛的應用，因為事實證明，基于 SiC 的解決方案比傳統的基于 Si 的解決方案具有更高的效率、功率密度和系統成本效益。設計人員可以利用 SiC MOSFET 更高的開關速度和更低的傳導損耗來減小電路磁性元件和其他無源元件的尺寸和成本，從而在不影響效率和成本的情況下實現顯著的功率密度改進。

注意：上面列出的所有數字都是近似值，可能會根據應用而變化。


審核編輯：劉清