【導讀】碳化硅（SiC）技術具有比傳統(tǒng)的硅（Si）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等技術具有更多優(yōu)勢，包括更高的開關頻率，更低的工作溫度，更高的電流和電壓容量，以及更低的損耗，進而可以實現更高的功率密度、可靠性和效率。本文將為您介紹SiC的發(fā)展趨勢與在儲能系統(tǒng)（ESS）上的應用，以及由Wolfspeed推出的SiC電源解決方案。
大幅降低儲能系統(tǒng)成本與提升效率的SiC技術
當前的SiC技術已經相當成熟，可以適用在從千瓦到兆瓦功率的工業(yè)應用范圍中，影響了能源、工業(yè)和汽車等眾多領域。由于SiC器件運作時的溫度較低，及較小的磁性器件，因此在系統(tǒng)中所需的熱管理和電源器件的尺寸更小、重量更輕、成本更低，從而降低了整體BOM成本，同時也實現了更小的占用空間。
隨著SiC技術的快速發(fā)展，在電力傳輸系統(tǒng)也開始大量采用SiC解決方案，特別在ESS應用中，像是電動汽車充電系統(tǒng)，以及利用電池儲存電能的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的DC/DC升壓轉換器、雙向逆變器（交流電和直流電互相轉換）、電池充電電路，都可以采用SiC技術的器件，將可提升3%的系統(tǒng)效率，以及提高50%的功率密度，并減少無源器件的體積和成本。
典型的ESS架構將包含了電源（光伏）、DC/DC轉換器、電池充電機，以便將能量輸送到家庭端或輸送回電網的逆變器，在這三個電源模塊中采用SiC技術，將可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。
例如，在ESS中對收集到的能源進行轉換，并將其用于存儲或為住宅／建筑供電時，必須進行DC/DC轉換，其將采用光伏應用的升壓轉換器來實現，SiC技術將比傳統(tǒng)的硅技術具有更高的系統(tǒng)效率和功率密度，其系統(tǒng)尺寸將可減少70%，能源消耗也可減少60%以上，系統(tǒng)成本則將會降低30%，使SiC技術成為ESS應用的最佳選擇。
家用或商用的ESS配置
具有更高的功率密度與系統(tǒng)效率的SiC解決方案
Wolfspeed針對ESS應用，推出了多款的SiC解決方案，像是肖特基二極管及MOSFET（具有高達100A額定電流封裝／196-A裸模封裝），以及WolfPACK系列器件中所使用的具有高達450A額定電流的功率模塊。這些產品可以適用于單相家用系統(tǒng)（5-15 kW），也可用于三相商用系統(tǒng)（30-100 kW），其架構和電源電路拓撲基本相似，但是它們可以根據功率級別來進行調整。
以Wolfspeed參考設計CRD-60DD12N為例，這是一款采用碳化硅技術的60kW交錯升壓轉換器，其中包含幾個SiC MOSFET和二極管。在架構上采用四路交錯并聯，可達到60kW的調節(jié)輸出功率，并同時在輸出850VDC時保持99.5%的效率。該設計包含兩個C3M0075120K MOSFET（具備開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每路拓撲有兩個C4D10120D二極管和一個CGD15SGOOD2隔離式柵極驅動器。
在CRD-60DD12N參考設計中，若對不同開關頻率下的BOM成本進行了分析／對比，其在更高的頻率下（100kHz相對于60kHz），將得益于更小、更輕的器件／磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統(tǒng)可能會由于更高的運行溫度而增加一些成本。但總體來說，更高的頻率通常意味著更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率和更低的成本，因此SiC技術將能夠以更低的價格提供更好的性能。
基于碳化硅的60 kW交錯升壓轉換器的參考設計
支持先進的數字控制方案的參考設計
在應用SiC MOSFET進行簡單的兩階逆變器／AFE設計時，Wolfspeed的參考設計可在單相或三相模式下運行，充電和放電的峰值效率大于98.5%，突出了SiC在逆變器和DC/DC充電電路中的優(yōu)勢。該參考設計的轉換器部分包括一個簡單兩階AC/DC轉換器，兼容單相和三相連接，并且只有6個SiC MOSFET。這種配置雖然不像大多數的IGBT轉換器那樣成本低廉，但會在效率和損耗方面表現得更好。雖然也可以采用T型AC/DC轉換器，來提供了相似的開關頻率和效率，但這種轉換器往往擁有復雜的控制系統(tǒng)，并必須采用更多數量的部件，且其功率密度較低。
在這個參考設計中，直流輸出電壓可以高達900 V，而電池電壓通常在800 V左右。由于電及熱應力的影響，非常適合采用Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET，其具有一流的品質因子、易于控制和Vgs驅動特性、開爾文源極封裝等優(yōu)點，可以減少開關損耗和串擾等問題。
采用這種拓撲結構適合于實現不同功能的先進數字控制方案，像是用于設計單相交錯PFC方案，或是采用DQ轉換的三相空間向量PWM方案，這些方案可以達成所有器件開關損耗的平衡，進而形成一個非常靈活的參考平臺。利用PWM控制開關將有助于檢測和功率消耗平衡，同時優(yōu)化熱性能，提高效率和可靠性。在單相充電的不同電壓、電流范圍，測量各種負載下的效率時，SiC的效率將高達98.5%，而IGBT的最高效率為96%，因此SiC的損耗降低約38%。在三相充電時，實現了相同的峰值效率，同時在系統(tǒng)和器件限制下的熱性能也運行良好。
總體來說，在22kW逆變器／AFE的配置下，C3M0032120K SiC MOSTET和靈活的控制方案可以實現高效率（>98.5%），以及高功率密度（4.6 kW/L），并具備低損耗（60%），以及雙向充電等特性，可支持來自三相AC和單相AC輸入，也支持輸出200-800 VDC的電池電壓范圍。
在多個功率級別下充電（左）和放電（右）模式的AFE效率
更低成本與更易控制的隔離型DC/DC轉換器設計
在進行隔離型DC/DC轉換器設計時，主流的解決方案是半橋LLC和全橋LLC轉換器。Wolfspeed的CRD-22DD12N參考設計是一種22kW的解決方案，可配置成串級轉換器或單級兩階轉換器之中。串級轉換器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件，但Si MOSFET通常會需要更多數量的部件，更高的導通損耗，更復雜的控制，以及更高的系統(tǒng)成本。使用SiC器件的單階兩電平轉換器可在更高的電壓（1200 V）和高達200 kHz的開關頻率下工作。SiC架構的最大優(yōu)勢是更高的效率／更低的損耗，并具有一些額外的特性，如零電壓導通、低電流關斷和更低的電磁干擾EMI風險。這種拓撲結構比串級轉換器的部件數更少，有助于降低系統(tǒng)成本，提供更簡單的控制。
22kW全橋CLLC DC/DC轉換器-串聯式（上）和單級兩電平（下）
在22kW設計上選擇功率器件時，Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET將可提供最佳的電氣應力和熱特性來適配轉換器。此外，它的Vgs可以支持15V，使之更易驅動。它具備可變直流鏈路電壓控制，可依據感知的電池電壓來使系統(tǒng)效率達到最佳，并確保CLLC運行接近諧振頻率。當電池電壓較低時，可將控制模式切換到相移模式，便可降低增益，防止在諧振頻率范圍外低效率地運行。
如此一來，這代表著使用相同的硬件也可以在較低的輸出電壓下實現類似的高效率。如果需要更低的電池電壓，CLLC一次側可以設置為半橋運行，這將可進一步降低增益，但仍維持一定效率。由于其運行成本較低，熱設計不那么嚴格，故較低效率仍然可以接受。
這種設計的轉換器的效率值與逆變器參考設計相似，在大多數負載上的峰值效率為98.5%。在設計采用半橋模式之前，可變直流鏈路電壓和最終效率都保持在97%以上，這限制了充電時的效率和功率傳輸能力。一般來說，SiC MOSFET加上靈活的控制方案可以實現更高的效率（>98.5%的充電／放電效率）和更高的功率密度（8 kW/L），并支持單相AC和三相AC輸入的雙向充電。與硅相比，由于柵極驅動器具備的簡單性，可減少熱管理器件，部件數量更少，并可使用更小的磁性器件，同時可實現更高的效率和功率密度，進而系統(tǒng)成本得以明顯降低。
SiC和Si在尺寸和重量上的對比
總結
SiC器件具有更佳的熱性能、更快的開關速度和更低的損耗，由于其導通電阻對溫度的依賴性較低，使其相當適合工業(yè)應用，SiC MOSFET在較高溫度下的導通損耗較低，并能實現高頻開關。此外，高性能主體二極管支持更高可靠性的諧振轉換器應用，而較小的輸出電容使LLC轉換器實現零電壓導通變得更為容易。
另一方面，SiC對比硅器件（額定650V）在尺寸／重量上也具有獨特優(yōu)勢。通常，硅器件還需要一個變壓器和諧振電感，而SiC配置可以整合變壓器／電感，將可節(jié)省了重量和空間。
Wolfspeed SiC器件系列可適應于應用的所有功率范圍，范圍從1千瓦到兆瓦不等，也可用于大功率模塊。Wolfspeed系列也有低階的離散式解決方案、中功率級別的WolfPACK模塊和高階的大功率模塊解決方案，設計人員可以在降低BOM成本和優(yōu)化實體尺寸／布局的同時，選擇多種不同的拓撲。
Wolfspeed還提供了多種拓撲的參考設計和評估工具套件，如AC/DC功率因子校正、降壓型／升壓型DC/DC、高頻DC/DC和雙向AC/DC、DC/DC和DC/AC工具套件。此外，SpeedFit設計仿真器有助于仿真系統(tǒng)級電路的特征，為通用拓撲建立模型，并為你的應用選擇合適的SiC器件。
無論是使用獨立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業(yè)的儲能應用，SiC都顯示出了巨大的商機，Wolfspeed的產品組合／資源可以在確保低成本、小空間的同時實現最靈活、可擴展、高性能的設計，將會是您在開發(fā)電源應用時最佳的選擇之一。
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