Wolfspeed是碳化硅（SiC）功率器件技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。他們在這一領(lǐng)域擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在擁有世界上第一個(gè)也是最大的200毫米SiC器件晶圓廠，以及SiC基板和外延生長制造設(shè)施。Wolfspeed SiC 產(chǎn)品涵蓋一系列功率范圍，從使用600至1.7kV分立器件產(chǎn)品時(shí)的5-10kW應(yīng)用，到額定電壓為3.3kV至10kV的半橋功率模塊，可用于兆瓦級(jí)能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

圖1：Wolfspeed的SiC 產(chǎn)品所涵蓋的功率范圍

Wolfspeed的SiC功率器件目前廣泛用于電源、電池充電和牽引驅(qū)動(dòng)的電池電動(dòng)汽車 （BEV）功率轉(zhuǎn)換、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及太陽能和風(fēng)能逆變器等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用。

SiC還支持未來的應(yīng)用，例如：

大規(guī)?？稍偕茉词褂煤蛢?chǔ)能

中壓（>2kV）工業(yè)驅(qū)動(dòng)器、火車、電網(wǎng)功率轉(zhuǎn)換

電動(dòng)飛機(jī)

快速充電

讓我們更詳細(xì)地看一下與儲(chǔ)能相關(guān)的一些具體應(yīng)用示例，SiC在圖1所示的功率譜中支持儲(chǔ)能。

面向太陽能和電動(dòng)汽車的住宅儲(chǔ)能解決方案（ESS）

在每個(gè)家庭中都有一個(gè)ESS以利用可再生能源，并與該家庭使用的電動(dòng)汽車進(jìn)行雙向連接，這是許多國家正在推動(dòng)的未來趨勢。這里的目標(biāo)是僅在必要時(shí)使用電網(wǎng)電源。在住宅太陽能應(yīng)用中，功率水平通常為<15kW，電壓在90-240V范圍內(nèi)。例如，房屋屋頂上的太陽能電池板將提供直流電為直流儲(chǔ)能電池（ESS）充電，連接到ESS的微型逆變器為家庭供電或返回電網(wǎng)。因此，需要雙向性。一些關(guān)鍵要求是尺寸、容量、效率和成本。與基于Si的電池充電器相比，基于SiC的ESS電池充電器具有許多優(yōu)勢。圖2顯示了一個(gè)具體示例，其中含有一個(gè)交流供電的15-20kW充電器模塊。

圖2：15kW Si IGBT和Wolfspeed 20kW SiC ESS電池充電器在（a）尺寸和（b）系統(tǒng)成本方面的比較。

例如，對于功率為100kW或更高的EV電池進(jìn)行車載外充電，電壓水平可以是400V，在這種情況下，可以使用模塊功率單元。與Si IGBT示例相比，更緊湊、更高效的SiC解決方案效率提高了1-2%，功率密度提高了35-50%。整體系統(tǒng)成本更低，因?yàn)檩^高的SiC開關(guān)頻率降低了無源器件的尺寸和成本，而在整個(gè)溫度范圍內(nèi)改進(jìn)的導(dǎo)通電阻降低了傳導(dǎo)損耗。

工業(yè)太陽能MPPT升壓組串逆變器

圖3所示的示例是一個(gè)60kW MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）升壓+組串逆變器，可用于工業(yè)能源應(yīng)用。這里的直流電壓水平可能要高得多，例如：800–1500V，這在減少布線損耗方面具有優(yōu)勢。

圖3：60kW Si IGBT和Wolfspeed 50 kW SiC MPPT升壓太陽能串逆變器的比較

這里比較的Si IGBT開關(guān)頻率為10-15kHz，因此需要大升壓電感器，而SiC的開關(guān)頻率為75–100kHz。基于SiC的系統(tǒng)在提高功率轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，提供了高達(dá)3倍的尺寸優(yōu)勢和10倍的重量減輕。這種尺寸/重量優(yōu)勢可以大大降低安裝成本。在公用事業(yè)規(guī)模級(jí)別，可以擁有一堆這樣的組串式逆變器來轉(zhuǎn)換MW級(jí)功率，這將安裝成本優(yōu)勢進(jìn)一步放大。

用以下等式表示ESOI（投資能源節(jié)省的能源）：

ESOI=在整個(gè)使用生命周期內(nèi)節(jié)省的能源/生產(chǎn)碳化硅MOSFET與硅IGBT的邊際能源成本

它表明，盡管SiC制造更復(fù)雜，使用更多的能量，但根據(jù)位置陽光較多的地方，計(jì)算的ESOI數(shù)為55至77，具體取決于位置（陽光較多的地方的數(shù)字更高）。這意味著每年可節(jié)省100kWh的能源，凸顯了提高能源效率在此類應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。

不間斷電源/儲(chǔ)能充電系統(tǒng)

在本例中，考慮了圖4所示的200kW UPS系統(tǒng)。它由放置在DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的逆變器/整流器組成。這里比較的Si IGBT開關(guān)頻率為8kHz，而Wolfspeed的SiC功率模塊的開關(guān)頻率為25kHz。逆變器和DC-DC級(jí)使用SiC的效率都明顯提高，從而將開關(guān)損耗總體降低40.4%，冷卻量減少42%。所需的電感可以減少37%，而直流鏈路電容器可以從2322μF降低到740μF。

圖4：200kW硅IGBT和Wolfspeed UPS/ESS充電器系統(tǒng)的比較

中壓（MV）并網(wǎng)太陽能逆變器

Wolfspeed生產(chǎn)的高壓/大功率SiC模塊使得公用事業(yè)規(guī)模的太陽能直接連接到電網(wǎng)，例如在9-13.8kV的MV電網(wǎng)。在此功率/電壓范圍內(nèi)工作的基于SiC的固態(tài)變壓器（SST）可以以高達(dá)10kHz的頻率進(jìn)行切換。相比之下，傳統(tǒng)硅解決方案可能達(dá)到幾百Hz。更高的頻率可顯著減小電感器/隔離變壓器的尺寸。

圖5：采用Wolfspeed SiC產(chǎn)品的2MVA并網(wǎng)太陽能逆變器

適配中壓電網(wǎng)的商用DCFC

最后，讓我們看一個(gè)未來可能會(huì)廣泛使用的例子，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的采用在未來幾年加速。直流快速充電（DCFC）可在新的800V電池總線電壓下顯著縮短充電時(shí)間。圖6顯示了Wolfspeed基于6.5kV SiC模塊的SST充電器示例，該充電器可以連接到MV電網(wǎng)并具有自己的能量存儲(chǔ)。該模塊可以在高達(dá)20kHz的頻率下進(jìn)行開關(guān)，因此與通常用于這些電壓的低頻變壓器相比，具有顯著的尺寸和重量優(yōu)勢。這里考慮的500kW充電器表明，通過消除60Hz變壓器以及減少布線和冷卻要求，成本降低了40%。該系統(tǒng)可以比基于硅的解決方案小75%以上，并在4分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車電池充滿電。

圖6：（a）連接到中壓電網(wǎng)的500kW DCFC電動(dòng)汽車充電器原理圖和（b）性能比較。

從以上實(shí)例可以看出，SiC功率解決方案是未來綠色能源生產(chǎn)和存儲(chǔ)應(yīng)用的重要使能組件。Wolfspeed廣泛的碳化硅功率產(chǎn)品，以及其大批量生產(chǎn)能力，使其完全有能力成為該領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。

審核編輯 ：李倩