Sun to Wheels：用 SiC 为可再生未来提供动力-电子发烧友网

随着世界朝着可持续、更绿色的未来迈进，许多国家正在减少化石燃料发电，转而使用可再生能源。2010 年至 2020 年间，新的公用事业规模太阳能光伏 (PV) 项目的全球加权平均电力成本下降了 85%，陆上风电下降了 56%，海上风电下降了 48%。因此，可再生能源已成为几乎所有国家增加能源产能的典型途径，2010 年至 2020 年期间，包括离网在内的累计光伏装置的年复合增长率达到 34% 。1

这种增长将随着提高能源效率的增加而继续。国际可再生能源机构 (IRENA) 的一份报告称，将全球变暖限制在 1.5˚C 将需要每年减少 36.9 吉吨的 CO 2排放量，并建议将太阳能光伏发电量增加 444 吉瓦/年，风能发电量增加 248 吉瓦/年。到 2050 年。IRENA 估计，可再生能源和能源效率的显着提高可以为实现目标减排贡献不少于 25%，而通过交通等应用的电气化可以实现另外 20%。2

虽然对新型风力涡轮机设计和基于钙钛矿的太阳能电池的研究正在推动能量转换效率的极限，但从发电到应用可再生能源之间的功率半导体链不再需要成为从太阳到车轮的薄弱环节。如今，只需在能源连接、分配和存储系统中将传统半导体技术替换为碳化硅，就可以获得巨大的尺寸、重量、功率和成本优势。

电力电子链的高效率

对于 5 至 15 kW 住宅单相和 30 至 100 kW 商用三相架构，太阳能电池板阵列用于增加电压并减少连接和电缆中的 I 2 R 损耗。光伏阵列电压通常被提升到稳压直流电，为储能系统 (ESS) 充电，这有助于克服太阳能发电典型的功率波动。稳压直流提供给逆变器进行直流/交流转换，而最大功率点跟踪 (MPPT) 控制器优化面板上的负载以实现最高能效。

Wolfspeed 提供的 SiC 器件适合该电力电子链中的每个阶段，以及从住宅到轻型商业到公用事业规模的应用所需的功率水平。该公司的技术可帮助设计人员以更低的系统成本实现更高的系统级效率和功率密度——这些都是可再生能源市场的主要驱动因素（图 1）。

直流/直流升压

DC/DC 部分用于提升可变光伏面板电压。通过用 Wolfspeed 的 SiC 模块替换本节中用于串型逆变器的硅二极管和 MOSFET，设计人员可以将系统尺寸减小 70%，将系统效率提高 1%，同时将总体成本降低 30%。这是能够使用更高开关频率的直接结果，从而减少了电感器、电容器、滤波器和变压器的尺寸、成本和封装。

储能系统

ESS 应用通过满足 DC/DC 升压/MPPT、双向有源前端和直流电池充电器中硅留下的系统要求差距，为从住宅到工业应用的 SiC 实施提供了巨大的机会。

Wolfspeed 对其 SiC 解决方案的测试表明，系统效率提高了近 3%，功率密度提高了 50%，并且显着降低了无源元件体积和无源 BOM 成本。

图 1：Wolfspeed 提供适合电力电子链中每个阶段的 SiC 器件，从 DC/DC 升压到快速充电器——从太阳到车轮。

从 3.3 kV 到 20+ kV 的中高压 (MV/HV) SiC MOSFET 模块开辟了多个现有和新兴应用空间，包括并网逆变器、增压器和牵引。

并网光伏逆变器

借助中压/高压 SiC 器件，这些逆变器可以将太阳能发电场直接连接到电网，从而消除电力电子链中笨重、昂贵且有损耗的变压器。这降低了光伏发电系统的安装、运营和场地成本。

例如，这样的 2-MVA 并网逆变器系统将包括以 40 kHz 运行的 Wolfspeed 1,700-V SiC 半桥模块、40 kHz 的较小中频变压器和 10 kHz 的 Wolfspeed 10-kV SiC 模块. 不包括变压器，它的重量不到 1,000 磅，并实现超过 98% 的 CEC 效率。

直流快充

传统的快速充电器通常使用低频变压器，这会使整个系统重量增加数千磅。这种类型的 500-kVA 系统将是一个 5,190 升、3,537-kg 的充电器，功率损耗大于 28-kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5-kV SiC 和 >20-kHz 固态变压器的现代 500-kVA 快速充电器是一个 1,298 升、530 公斤的系统，功率损耗为 11.25 千瓦。因此，基于 SiC 的直流快速充电器可以在不到 4 分钟的时间内实现完全充电，系统体积小 >75%，重量轻 >85%，损耗降低 >60%，成本降低 >40%。

牵引力和机动性

MV/HV SiC 模块可以将运输的年燃料消耗降低 1% 到 4%，并且在重型设备的驱动系统中，可以显着节省驱动系统、冷却和布线。

满足广泛应用范围的额定值

Wolfspeed 提供涵盖业界最广泛应用功率规模的 SiC 分立器件和模块（图 2）。该公司的 MV/HV 解决方案，额定从 3.3-kV LM3 模块到 6.5-kV MM3 和 10-kV XHV-9 模块，可满足上述应用的广泛电压、电流和隔离要求。