綠色環(huán)保意識和法規(guī)在推動電動汽車市場發(fā)展，它們助力電池技術(shù)和基于碳化硅（SiC）器件設(shè)計不斷創(chuàng)新，從而促進綠色能源發(fā)電的轉(zhuǎn)型。
現(xiàn)在，擴大可再生能源的需求至關(guān)重要。日益變化的氣候問題，化石燃料供應(yīng)鏈問題以及長期有限化石燃料資源難以滿足日益增長的能源需求，這些因素都使天平向區(qū)域性綠色能源傾斜。
大幅提高可再生能源（尤其是太陽能和風(fēng)能）的投資回報率（ROI），意味著需要提升儲能系統(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汽車（EV）市場加快了電池技術(shù)和 SiC 器件的創(chuàng)新步伐，現(xiàn)在可以使用基于 SiC 器件的解決方案來幫助實現(xiàn)所有這些目標(biāo)。
太陽能光伏的成功
國際能源署（IEA）估計，2022 年可再生能源產(chǎn)能將增加 8%，突破 300 GW。[1] 據(jù)該機構(gòu)稱，引領(lǐng)可再生能源復(fù)興的是太陽能光伏發(fā)電，它將占全球可再生能源產(chǎn)能增長的 60%。這種增長的背后有如下幾個原因：
1、太陽能電池板和相關(guān)的電子器件變得更加高效，同時相對于化石燃料還實現(xiàn)了更低的成本，其發(fā)展步伐比風(fēng)能和水力發(fā)電都更快。全球各國政府正通過商業(yè)激勵和法規(guī)支持，在此基礎(chǔ)上進一步推動發(fā)展。
2、氣候變化加劇惡化了風(fēng)能和太陽能發(fā)電的間歇性特征[2]，而采用儲能系統(tǒng)可以緩解這一問題。電池技術(shù)的改進帶來了容量的擴充和成本的降低，而基于 SiC 器件的設(shè)計使這些系統(tǒng)更加高效。
3、太陽能光伏的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于其廣泛的可擴展性，從住宅應(yīng)用的幾千瓦到公用事業(yè)規(guī)模的數(shù)兆瓦太陽能發(fā)電站，各種場合均可采用。與高功率和昂貴的公用事業(yè)規(guī)模投資中最為可行的風(fēng)能和水力發(fā)電不同的是，太陽能適合多種系統(tǒng)配置。
太陽能面板至儲能系統(tǒng)概述
太陽能架構(gòu)通常分為三種使用場景。戶用光伏使用微逆變器支持 1 到 4 個面板組合，使用組串式逆變器將面板集群從幾千瓦聚集到約 50 kW。工商業(yè)光伏使用從 50 kW 到 200 kW 的組串式逆變器集成到一起，為商業(yè)和工業(yè)提供服務(wù)。兆瓦規(guī)模的公用事業(yè)光伏安裝使用了大型集中式系統(tǒng)，但現(xiàn)在經(jīng)常會選擇基于分布式的組串型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減少安裝時間和成本，同時減少點故障的影響和整體維護成本。
最大功率點跟蹤器（MPPT）是一種直流-直流（DC-DC）升壓電路，從面板陣列獲取變化的電壓，并向內(nèi)部總線供應(yīng)更高的恒定電壓（圖 1）。然后，逆變器將更穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)交流電。在儲能系統(tǒng)實施中，一個雙向 DC-DC 降壓-升壓（Buck-Boost）電路充當(dāng)電池充電機。如果儲能系統(tǒng)需要從電網(wǎng)充電，逆變器也需要是雙向的。
圖 1：太陽能面板至電網(wǎng)系統(tǒng)概述
Source：Wolfspeed
SiC 技術(shù)提升
SiC 適用于從較低的 1 kW 到超過 1 MW 的升壓式 MPPT 控制器、雙向逆變器（Bi-directional inverter）和有源前端（AFE），以及儲能系統(tǒng)充電/放電電路中的雙向 DC-DC 等部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與硅相比，它具有諸多優(yōu)勢：
在大多數(shù)應(yīng)用中的開關(guān)頻率提高至 3 倍
系統(tǒng)效率提高約 2% 并且損耗降低約 40%
高達 50% 的功率密度（體積為其1/3，重量為其1/10）
更小的無源器件和散熱器體積
降低系統(tǒng) BOM 總成本
盡管 SiC 肖特基二極管長期以來被用于 MPPT 升壓電路以提高效率，然而現(xiàn)在更廣泛的采用全 SiC MOSFET 方案來實現(xiàn)。例如，Wolfspeed CRD-60DD12N 15 kW × 4 通道升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計提供 99.5% 的能源效率和 78 kHz 的開關(guān)能力。與硅相比，這種設(shè)計的能量效率提高了 1% – 2%，損耗減少了約 70%，功率密度提高至 3 倍，重量減輕為 1/10。所有這些性能都以更低的系統(tǒng)實施成本實現(xiàn)。
SiC 會對 AFE 部分帶來類似的影響。六開關(guān)硅 IGBT 實施的成本相對較低，并且簡單易用，因此得到了廣泛使用（圖 2）。然而，其開關(guān)頻率限制在最高約 20 kHz，并且其頻率在高功率水平下會大幅降低。雖然通過使用硅超結(jié)（SJ）器件的多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計師能夠通過高頻開關(guān)和良好系統(tǒng)效率實現(xiàn)所需的高電壓電平，但代價是控制更為復(fù)雜，同時更多的開關(guān)以及相關(guān)的器件驅(qū)動器會導(dǎo)致器件數(shù)量和 BOM 成本大幅增加。Wolfspeed CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 參考設(shè)計證明了這一點。
圖 2：SiC 使得 AFE 設(shè)計更為簡單高效，同時成本更低
Source：Wolfspeed
在 ESS 領(lǐng)域，電動汽車市場已經(jīng)對電池儲能趨勢造成了影響，使電池組的使用電壓從 200 V 上升到 800 – 1000 V。這些高電壓工況要求在雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中使用耐高壓器件。設(shè)計人員經(jīng)常在復(fù)雜的多電平諧振拓?fù)渲惺褂贸Ｒ姷?650 V SJ 器件，但是在其拓?fù)渲泄璧拈_關(guān)頻率限制在 80 kHz 到 120 kHz 之間。取而代之的是，例如 CRD-22DD12N 22 kW 雙向 DC-DC 充電機等簡化拓?fù)涞娜?SiC 方案可以實現(xiàn)約 200 kHz 的諧振頻率，且器件數(shù)量更少，總體系統(tǒng)成本更低。
將基于 SiC 的雙向 AFE 和 DC-DC 充電機結(jié)合在一起，可以帶來以下幾個系統(tǒng)級優(yōu)勢：
能耗降低 40%，從而實現(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，甚至有可能消除主動冷卻
系統(tǒng)級效率提高 2%
功率密度提高 50%
系統(tǒng)成本降低 18%
大功率 SiC 助力打造未來
基于 SiC 的系統(tǒng)可以支持幾個近期的關(guān)鍵趨勢。太陽能產(chǎn)業(yè)正朝著 1500 V 總線的方向發(fā)展，這需要 2 kV 器件或復(fù)雜的多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在集中式逆變器領(lǐng)域，需要 2 kV 或更高電壓的中高壓器件和功率模塊。
在當(dāng)今的集中式逆變器中 SiC 將提供單極開關(guān)，而不是雙極開關(guān)，這可以實現(xiàn)相同的效率，并且具有重量、尺寸和成本優(yōu)勢。這項新的技術(shù)還將影響全新的領(lǐng)域，包括電力電子變壓器、風(fēng)力發(fā)電和軌道交通。
雖然當(dāng)前有各種各樣的 SiC 分立器件和功率模塊可以滿足現(xiàn)有需求，但 Wolfspeed 仍堅持其投資研發(fā)的傳統(tǒng)，將新產(chǎn)品推向市場，以更好地滿足未來的需求。（文：Wolfspeed）
參考資料：
IEA, Renewable Energy Market Update – May 2022 (https://www.iea.org/reports/renewable-energy-market-update-may-2022)
euronews.green, Powering up wind energy in a world of climate variability (https://www.euronews.com/green/2022/05/25/powering-up-wind-energy-in-a-world-of-climate-variability)
英文原稿：https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-pulls-green-alternatives-into-virtuous-cycle/
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