推動(dòng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的綠色意識(shí)和法規(guī)推動(dòng)了電池技術(shù)和基于碳化硅的設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，以改變綠色能源生產(chǎn)。

現(xiàn)在，可再生能源擴(kuò)張的需求至關(guān)重要。日益增加的氣候變異性、近期的化石燃料供應(yīng)鏈問題以及長期有限的化石燃料資源面臨不斷增長的能源需求，使天平向有利于區(qū)域綠色能源的方向傾斜。

顯著提高可再生能源（尤其是太陽能和風(fēng)能）的投資回報(bào)率 （ROI） 意味著提高儲(chǔ)能系統(tǒng) （ESS） 的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不斷增長的電動(dòng)汽車（EV）市場(chǎng)加速了電池技術(shù)和碳化硅設(shè)備的創(chuàng)新，現(xiàn)在可以使用解決方案來幫助實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

陽光照耀太陽能的成功

國際能源署（IEA）估計(jì)，到8年，可再生能源產(chǎn)能將增加300%，達(dá)到2022吉瓦。1 據(jù)該機(jī)構(gòu)稱，引領(lǐng)可再生能源復(fù)興的是太陽能光伏，它將占全球可再生能源容量增長的60%。這種增長的背后有幾個(gè)原因，包括逐步解決一些挑戰(zhàn)。

太陽能電池板和相關(guān)電子設(shè)備變得更加高效，同時(shí)相對(duì)于化石燃料的成本也更低，而且速度比風(fēng)能和水力更快。全球各國政府正在通過商業(yè)激勵(lì)和監(jiān)管支持來建立這一目標(biāo)。

風(fēng)能和太陽能發(fā)電的特征性間歇性，由于氣候多變性而惡化2，可以通過添加ESS來緩解。電池技術(shù)的改進(jìn)提供了容量擴(kuò)展和更低的成本，而基于碳化硅的設(shè)計(jì)使這些系統(tǒng)更加高效。

太陽能光伏的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其廣泛的可擴(kuò)展性，從住宅應(yīng)用中的幾千瓦到公用事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電場(chǎng)的兆瓦。與風(fēng)能和水力發(fā)電不同，風(fēng)能和水力發(fā)電在非常高的功率和昂貴的公用事業(yè)規(guī)模投資下最可行，太陽能適合多種系統(tǒng)配置。

面板到ESS系統(tǒng)概述

太陽能架構(gòu)通常分為三種配置。在住宅層面，微型逆變器支持1-4個(gè)面板塊。組串式逆變器將面板集群從幾千瓦聚合到大約 50 kW。從 50 kW 到 200 kW，串筒集成用于商業(yè)和工業(yè)設(shè)施。兆瓦范圍內(nèi)的公用事業(yè)規(guī)模安裝使用大型集中式系統(tǒng)，但現(xiàn)在通常選擇基于字符串的分布式拓?fù)洌越档桶惭b時(shí)間和成本以及點(diǎn)故障和整體維護(hù)成本的影響。

最大功率點(diǎn)跟蹤器 （MPPT） 是一種 DC-DC 升壓電路，它從面板陣列獲取變化的電壓，并為內(nèi)部總線提供恒定的更高電壓（圖 1）。然后，逆變器將更穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)交流電。在ESS實(shí)現(xiàn)中，雙向DC-DC降壓-升壓電路充當(dāng)電池充電器。如果ESS需要從電網(wǎng)充電，逆變器也需要是雙向的。

碳化硅技術(shù)提升

碳化硅適合從低 1 kW 到大于 1 MW 配置的升壓/MPPT DC-DC、雙向逆變器或有源前端 （AFE） 以及 ESS 充電/放電電路中的雙向 DC-DC 中的應(yīng)用。與硅相比，它具有許多優(yōu)勢(shì)：

在大多數(shù)應(yīng)用中開關(guān)頻率提高 3 倍

系統(tǒng)效率提高 ~2% 或損耗降低 ~40%

功率密度提高多達(dá) 50%（體積縮小 3 倍，重量減輕 10 倍）

更小的無源器件和散熱器

降低系統(tǒng)總 BOM 成本

盡管碳化硅肖特基二極管長期以來一直用于MPPT升壓電路以提高效率，但現(xiàn)在已更廣泛地采用MOSFET的完整碳化硅實(shí)現(xiàn)。例如，Wolfspeed 的 CRD-60DD12N 15 kW x 4 通道升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)可提供 99.5% 的能效和 78 kHz 的開關(guān)頻率。與硅可實(shí)現(xiàn)的相比，這種設(shè)計(jì)可提供 1-2% 的能效提升或約 70% 的損耗、3 倍的功率密度和 10 倍的重量減輕。所有這些性能都降低了系統(tǒng)實(shí)施成本。

碳化硅對(duì)AFE部分也有類似的影響。六開關(guān)硅 IGBT 方案因其相對(duì)較低的成本和簡單性而常用（圖 2）。但是，其開關(guān)頻率限制在最大約20 kHz，并且在高功率水平下，明顯低于該頻率。使用硅超級(jí)結(jié) （SJ） 器件的多電平拓?fù)湓试S設(shè)計(jì)人員通過高頻開關(guān)和良好的系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)所需的高電壓電平，但代價(jià)是復(fù)雜的控制，以及由額外的開關(guān)和相關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的顯著增加的器件數(shù)量和 BOM 成本。Wolfspeed 的 CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 參考設(shè)計(jì)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

在ESS領(lǐng)域，電動(dòng)汽車市場(chǎng)影響了電池存儲(chǔ)趨勢(shì)，允許使用200V的電池組，并可能向800-1000V邁進(jìn)。這些高電壓需要在雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用高壓器件。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在復(fù)雜的多電平諧振拓?fù)渲惺褂贸Ｒ姷?50 V SJ器件，其中硅的開關(guān)限制在80 kHz和120 kHz之間。相反，更簡單的全碳化硅實(shí)現(xiàn)，例如CRD-22DD12N 22 kW雙向DC-DC充電器，可以實(shí)現(xiàn)約200 kHz的諧振頻率，同時(shí)減少器件數(shù)量和整體系統(tǒng)成本。

結(jié)合基于碳化硅的雙向AFE和DC-DC充電器，具有多個(gè)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)：

能量損失降低 40%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)

更低的系統(tǒng)溫度，更高的系統(tǒng)可靠性和使用壽命

更小的散熱器或可能消除主動(dòng)冷卻

系統(tǒng)級(jí)效率提高 2%

功率密度提高 50%

系統(tǒng)成本降低多達(dá) 18%

未來采用高功率碳化硅制造

基于碳化硅的系統(tǒng)支持幾個(gè)關(guān)鍵的近期趨勢(shì)。太陽能世界正朝著1500 V總線發(fā)展，這需要2 kV設(shè)備或復(fù)雜的多電平拓?fù)?。在中央逆變器領(lǐng)域，將需要2 kV或更高范圍內(nèi)的中高壓設(shè)備和功率模塊。

碳化硅將提供單極開關(guān)，而不是當(dāng)今集中式逆變器中的雙極開關(guān)，帶來相同的效率、重量、尺寸和成本優(yōu)勢(shì)。新技術(shù)還將影響新的細(xì)分市場(chǎng)，包括固態(tài)變壓器、風(fēng)力發(fā)電和牽引。

審核編輯：郭婷