Siliciumkarbid zieht grüne Alternativen in einen positiven Kreislauf
Das grüne Bewusstsein und die Vorschriften, die den EV-Markt antreiben, haben Innovationen in der Batterietechnologie und dem auf Siliziumkarbid basierenden Design vorangetrieben, um die Erzeugung grüner Energie zu transformieren. Der Bedarf an einer Ausweitung erneuerbarer Energien ist jetzt kritisch. Die zunehmende Klimavariabilität, kurzfristige Probleme in der fossilen Brennstoffversorgungskette sowie langfristig begrenzte Ressourcen fossiler Brennstoffe, die auf eine ständig wachsende Energienachfrage stoßen, haben die Waage zugunsten regionaler grüner Energiequellen gekippt. Eine signifikante Steigerung des Return on Investment (ROI) in erneuerbare Energien, insbesondere Solar- und Windenergie, bedeutet die Erhöhung der Effizienz, Kapazität, Leistungsdichte und Kosteneffektivität von Energiespeichersystemen (ESS). Und dank der Innovationen in der Batterietechnologie und den Siliziumkarbid-Geräten, die durch den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge (EV) beschleunigt werden, stehen jetzt Lösungen zur Verfügung, um all diese Ziele zu erreichen.
Die Sonne strahlt auf den Erfolg der Solarenergie
Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass die Kapazität der erneuerbaren Energien im Jahr 2022 um 8 % steigen wird und die 300 GW-Marke überschreiten wird. Laut der Agentur steht an der Spitze der erneuerbaren Renaissance die Solar-PV, die 60 % dieses Wachstums der globalen Kapazität der erneuerbaren Energien ausmachen wird. Hinter diesem Wachstum stehen mehrere Gründe, einschließlich der schrittweisen Lösung einiger der Herausforderungen.
- Solarmodule und zugehörige Elektronik sind effizienter geworden und haben gleichzeitig geringere Kosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen erreicht – und dies in einem schnelleren Tempo als Wind- und Wasserkraft. Regierungen weltweit bauen auf diesem Fortschritt durch kommerzielle Anreize und regulatorische Unterstützung auf.
- Die charakteristische Intermittierung der Energieerzeugung aus Wind und Sonne, verschlimmert durch Klimavariabilität2, kann mit der Ergänzung von ESS gemildert werden. Verbesserungen in der Batterietechnologie bieten Kapazitätserweiterung und niedrigere Kosten, während das auf Siliziumkarbid basierende Design diese Systeme effizienter macht.
- Ein wesentlicher Vorteil von Solar-PV ist seine breite Skalierbarkeit von einigen Kilowatt in Wohnanwendungen bis zu Megawatt in solaren Großanlagen. Im Gegensatz zu Wind- und Wasserkraft, die am rentabelsten bei sehr hoher Leistung und teuren Investitionen im Versorgungsbereich sind, passt Solarenergie zu einer Vielzahl von Systemkonfigurationen.
Übersicht vom Panel zum ESS-System
Solararchitekturen unterteilen sich im Allgemeinen in drei Konfigurationen. Auf Wohnniveau unterstützen Mikro-Wechselrichter Blockgruppen von 1-4 Paneelen. String-Wechselrichter aggregieren Panelgruppen von einigen Kilowatt bis etwa 50 kW. Von 50 kW bis 200 kW werden Strings integriert, um kommerzielle und industrielle Installationen zu bedienen. Versorgungsanlagen im Megawattbereich haben große zentralisierte Systeme genutzt, entscheiden sich jedoch zunehmend für verteilte stringbasierte Topologien, um die Installationszeit und -kosten zu senken sowie den Einfluss von Punktausfällen und die Gesamtkosten der Wartung zu reduzieren.
Der Maximum Power Point Tracker (MPPT), der eine DC-DC-Aufwärtswandlerschaltung ist, nimmt die wechselnde Spannung vom Panel-Array und bietet eine konstante höhere Spannung an den internen Bus (Abbildung 1). Der stabilere DC wird dann vom Wechselrichter in netzkompatiblen AC umgewandelt. In ESS-Implementierungen fungiert eine bidirektionale DC-DC-Abwärts-/Aufwärtswandlerschaltung als Batterieladegerät. Sollte das ESS vom Netz aus geladen werden müssen, muss der Wechselrichter ebenfalls bidirektional sein.
Eine Übersicht über das Panel-to-Grid-System
Abbildung 1
Technologieschub durch Siliziumkarbid
Siliziumkarbid passt perfekt in diese Anwendung, von niedrigen 1-kW- bis zu mehr als 1-MW-Konfigurationen im Boost/MPPT DC-DC, dem bidirektionalen Wechselrichter oder Active Front End (AFE) sowie dem bidirektionalen DC-DC im ESS-Lade-/Entladezyklus. Und es bietet zahlreiche Vorteile gegenüber Silizium:
- 3X höhere Schaltfrequenz in den meisten Anwendungen
- ~2% Steigerung der Systemeffizienz oder ~40% geringere Verluste
- Bis zu 50 % höhere Leistungsdichte (3X kleiner, 10X leichter)
- Kleinere passive Bauelemente und Kühlkörper
- Niedrigere Gesamtsystem-BOM-Kosten
Obwohl Siliziumkarbid-Schottky-Dioden seit langem im MPPT-Boost-Schaltkreis zur Effizienzsteigerung eingesetzt werden, gibt es inzwischen eine breitere Anwendung von vollständigen Siliziumkarbid-Implementierungen mit MOSFETs. Zum Beispiel bietet Wolfspeeds CRD-60DD12N 15-kW-4-Kanal-Boost-Konverter-Referenzdesign 99,5% Energieeffizienz und Schaltfrequenzen von 78 kHz. Im Vergleich zu dem, was mit Silizium möglich ist, liefert dieses Design 1-2 % höhere Energieeffizienz oder etwa 70 % Reduzierung der Verluste, 3-mal höhere Leistungsdichte und 10-mal geringeres Gewicht. All diese Leistung bei geringeren Systemimplementierungskosten.
Siliziumkarbid hat einen ähnlichen Einfluss auf den AFE-Bereich. Eine Sechs-Schalter-Silizium-IGBT-Implementierung wird häufig wegen ihrer relativ niedrigen Kosten und Einfachheit verwendet (Abbildung 2). Allerdings ist ihre Schaltfrequenz auf maximal etwa 20 kHz begrenzt und bei hohen Leistungsniveaus deutlich niedriger. Mehrstufige Topologien, die Silizium-Super-Junction-(SJ)-Geräte verwenden, ermöglichen es Designern, die hohen Spannungspegel zu erreichen, die mit Hochfrequenzschaltungen und guter Systeme Effizienz benötigt werden, jedoch nur auf Kosten einer komplexen Steuerung und einer deutlich höheren Stückzahl und BOM-Kosten, die durch zusätzliche Schalter sowie zugehörige Gerätetreiber verursacht werden. Dies wurde durch Wolfspeed’s CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE-Referenzdesign demonstriert.
Siliziumkarbid ermöglicht ein einfacheres, effizienteres und kostengünstigeres AFE-Design.
Abbildung 2
Im ESS-Bereich hat der EV-Markt den Trend zur Batteriespeicherung beeinflusst, sodass der Einsatz von Batteriepaketen ab 200 V möglich ist und potenziell in Richtung 800-1000 V geht. Diese hohen Spannungen erfordern Hochspannungsgeräte im bidirektionalen DC-DC-Wandler. Designer haben oft gängige 650 V SJ-Geräte in komplexen, mehrstufigen Resonanztopologien verwendet, bei denen Silizium auf Schaltfrequenzen zwischen 80 kHz und 120 kHz beschränkt ist. Stattdessen können einfachere Voll-Siliziumkarbid-Implementierungen wie der CRD-22DD12N 22-kW bidirektionale DC-DC-Lader Resonanzfrequenzen von etwa 200 kHz bei weniger Bauteilen und geringeren Gesamtsystemkosten erreichen.
Die Kombination aus bidirektionalem Siliziumkarbid-basiertem AFE und DC-DC-Ladegerät führt zu mehreren Vorteilen auf Systemebene:
- 40 % niedrigere Energieverluste, die wiederum ermöglichen
- 2 % Verbesserung der Systemeffizienz
- 50 % bessere Leistungsdichte
- Bis zu 18 % niedrigere Systemkosten
Zukunft gebaut mit Hochleistungs-Siliziumkarbid
Mehrere wichtige, kurzfristige Trends werden durch Siliziumkarbid-basierte Systeme unterstützt. Die Solarwelt bewegt sich in Richtung eines 1500-V-Busses, der 2-kV-Geräte oder eine komplizierte mehrstufige Topologie erfordert. Im zentralen Wechselrichterbereich werden Mittel- bis Hochspannungsgeräte und Leistungsmodulen im Bereich von 2 kV oder höher benötigt.
Siliziumkarbid wird einen unipolaren Schalter anstelle der bipolaren Schalter in heutigen Zentralwechselrichtern liefern und dabei die gleichen Effizienz-, Gewichts-, Größen- und Kostenvorteile bieten. Die neue Technologie wird auch neue Segmente beeinflussen, darunter Festkörpertransformatoren, Windkraft und Antriebstechnik.
Während es eine große Vielfalt an Siliziumkarbid-Einzelgeräten und Leistungsmodulen gibt, um den aktuellen Bedarf zu decken, setzt Wolfspeed seine Tradition fort, in F&E zu investieren, um neue Produkte auf den Markt zu bringen, die diesen zukünftigen Anforderungen gerecht werden.
Programmierdienstleistungen für Geräte
Bereitstellung von hochwertigen Gerät-Programmierungsdiensten in großem Maßstab.
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