具有更高效率与优势的碳化硅技术

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碳化硅(SiC)技术具有比传统的硅(Si)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等技术具有更多优势,包括更高的开关频率,更低的工作温度,更高的电流和电压容量,以及更低的损耗,进而可以实现更高的功率密度、可靠性和效率。本文将为您介绍SiC的发展趋势与在储能系统(ESS)上的应用,以及由Wolfspeed推出的SiC电源解决方案。

大幅降低储能系统成本与提升效率的SiC技术

当前的SiC技术已经相当成熟,可以适用在从千瓦到兆瓦功率的工业应用范围中,影响了能源、工业和汽车等众多领域。由于SiC器件运作时的温度较低,及较小的磁性器件,因此在系统中所需的热管理和电源器件的尺寸更小、重量更轻、成本更低,从而降低了整体BOM成本,同时也实现了更小的占用空间。

随着SiC技术的快速发展,在电力传输系统也开始大量采用SiC解决方案,特别在ESS应用中,像是电动汽车充电系统,以及利用电池储存电能的太阳能系统。这些系统中的DC/DC升压转换器、双向逆变器(交流电和直流电互相转换)、电池充电电路,都可以采用SiC技术的器件,将可提升3%的系统效率,以及提高50%的功率密度,并减少无源器件的体积和成本。

典型的ESS架构将包含了电源(光伏)、DC/DC转换器、电池充电机,以便将能量输送到家庭端或输送回电网的逆变器,在这三个电源模块中采用SiC技术,将可以提高效率,减少尺寸、重量和成本。

例如,在ESS中对收集到的能源进行转换,并将其用于存储或为住宅/建筑供电时,必须进行DC/DC转换,其将采用光伏应用的升压转换器来实现,SiC技术将比传统的硅技术具有更高的系统效率和功率密度,其系统尺寸将可减少70%,能源消耗也可减少60%以上,系统成本则将会降低30%,使SiC技术成为ESS应用的最佳选择。

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家用或商用的ESS配置

具有更高的功率密度与系统效率的SiC解决方案

Wolfspeed针对ESS应用,推出了多款的SiC解决方案,像是肖特基二极管及MOSFET(具有高达100A额定电流封装/196-A裸模封装),以及WolfPACK系列器件中所使用的具有高达450A额定电流的功率模块。这些产品可以适用于单相家用系统(5-15 kW),也可用于三相商用系统(30-100 kW),其架构和电源电路拓扑基本相似,但是它们可以根据功率级别来进行调整。

以Wolfspeed参考设计CRD-60DD12N为例,这是一款采用碳化硅技术的60kW交错升压转换器,其中包含几个SiC MOSFET和二极管。在架构上采用四路交错并联,可达到60kW的调节输出功率,并同时在输出850VDC时保持99.5%的效率。该设计包含两个C3M0075120K MOSFET(具备开尔文源极引脚的TO-247-4L封装),每路拓扑有两个C4D10120D二极管和一个CGD15SGOOD2隔离式栅极驱动器。

在CRD-60DD12N参考设计中,若对不同开关频率下的BOM成本进行了分析/对比,其在更高的频率下(100kHz相对于60kHz),将得益于更小、更轻的器件/磁性材料,成本明显降低,而冷却系统可能会由于更高的运行温度而增加一些成本。但总体来说,更高的频率通常意味着更高的功率密度、更高的系统效率和更低的成本,因此SiC技术将能够以更低的价格提供更好的性能。

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基于碳化硅的60 kW交错升压转换器的参考设计

支持先进的数字控制方案的参考设计

在应用SiC MOSFET进行简单的两阶逆变器/AFE设计时,Wolfspeed的参考设计可在单相或三相模式下运行,充电和放电的峰值效率大于98.5%,突出了SiC在逆变器和DC/DC充电电路中的优势。该参考设计的转换器部分包括一个简单两阶AC/DC转换器,兼容单相和三相连接,并且只有6个SiC MOSFET。这种配置虽然不像大多数的IGBT转换器那样成本低廉,但会在效率和损耗方面表现得更好。虽然也可以采用T型AC/DC转换器,来提供了相似的开关频率和效率,但这种转换器往往拥有复杂的控制系统,并必须采用更多数量的部件,且其功率密度较低。

在这个参考设计中,直流输出电压可以高达900 V,而电池电压通常在800 V左右。由于电及热应力的影响,非常适合采用Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET,其具有一流的品质因子、易于控制和Vgs驱动特性、开尔文源极封装等优点,可以减少开关损耗和串扰等问题。

采用这种拓扑结构适合于实现不同功能的先进数字控制方案,像是用于设计单相交错PFC方案,或是采用DQ转换的三相空间向量PWM方案,这些方案可以达成所有器件开关损耗的平衡,进而形成一个非常灵活的参考平台。利用PWM控制开关将有助于检测和功率消耗平衡,同时优化热性能,提高效率和可靠性。在单相充电的不同电压、电流范围,测量各种负载下的效率时,SiC的效率将高达98.5%,而IGBT的最高效率为96%,因此SiC的损耗降低约38%。在三相充电时,实现了相同的峰值效率,同时在系统和器件限制下的热性能也运行良好。

总体来说,在22kW逆变器/AFE的配置下,C3M0032120K SiC MOSTET和灵活的控制方案可以实现高效率(>98.5%),以及高功率密度(4.6 kW/L),并具备低损耗(60%),以及双向充电等特性,可支持来自三相AC和单相AC输入,也支持输出200-800 VDC的电池电压范围。

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在多个功率级别下充电(左)和放电(右)模式的AFE效率

更低成本与更易控制的隔离型DC/DC转换器设计

在进行隔离型DC/DC转换器设计时,主流的解决方案是半桥LLC和全桥LLC转换器。Wolfspeed的CRD-22DD12N参考设计是一种22kW的解决方案,可配置成串级转换器或单级两階转换器之中。串级转换器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件,但Si MOSFET通常会需要更多数量的部件,更高的导通损耗,更复杂的控制,以及更高的系统成本。使用SiC器件的单階两电平转换器可在更高的电压(1200 V)和高达200 kHz的开关频率下工作。SiC架构的最大优势是更高的效率/更低的损耗,并具有一些额外的特性,如零电压导通、低电流关断和更低的电磁干扰EMI风险。这种拓扑结构比串级转换器的部件数更少,有助于降低系统成本,提供更简单的控制。

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22kW全桥CLLC DC/DC转换器-串联式(左)和单级两电平(右)

在22kW设计上选择功率器件时,Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET将可提供最佳的电气应力和热特性来适配转换器。此外,它的Vgs可以支持15V,使之更易驱动。它具备可变直流链路电压控制,可依据感知的电池电压来使系统效率达到最佳,并确保CLLC运行接近谐振频率。当电池电压较低时,可将控制模式切换到相移模式,便可降低增益,防止在谐振频率范围外低效率地运行。

如此一来,这代表着使用相同的硬件也可以在较低的输出电压下实现类似的高效率。如果需要更低的电池电压,CLLC一次侧可以设置为半桥运行,这将可进一步降低增益,但仍维持一定效率。由于其运行成本较低,热设计不那么严格,故较低效率仍然可以接受。

这种设计的转换器的效率值与逆变器参考设计相似,在大多数负载上的峰值效率为98.5%。在设计采用半桥模式之前,可变直流链路电压和最终效率都保持在97%以上,这限制了充电时的效率和功率传输能力。一般来说,SiC MOSFET加上灵活的控制方案可以实现更高的效率(>98.5%的充电/放电效率)和更高的功率密度(8 kW/L),并支持单相AC和三相AC输入的双向充电。与硅相比,由于栅极驱动器具备的简单性,可减少热管理器件,部件数量更少,并可使用更小的磁性器件,同时可实现更高的效率和功率密度,进而系统成本得以明显降低。

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SiC和Si在尺寸和重量上的对比

结语

SiC器件具有更佳的热性能、更快的开关速度和更低的损耗,由于其导通电阻对温度的依赖性较低,使其相当适合工业应用,SiC MOSFET在较高温度下的导通损耗较低,并能实现高频开关。此外,高性能主体二极管支持更高可靠性的谐振转换器应用,而较小的输出电容使LLC转换器实现零电压导通变得更为容易。

另一方面,SiC对比硅器件(额定650V)在尺寸/重量上也具有独特优势。通常,硅器件还需要一个变压器和谐振电感,而SiC配置可以整合变压器/电感,将可节省了重量和空间。

Wolfspeed SiC器件系列可适应于应用的所有功率范围,范围从1千瓦到兆瓦不等,也可用于大功率模块。Wolfspeed系列也有低阶的离散式解决方案、中功率级别的WolfPACK模块和高阶的大功率模块解决方案,设计人员可以在降低BOM成本和优化实体尺寸/布局的同时,选择多种不同的拓扑。

Wolfspeed还提供了多种拓扑的参考设计和评估工具套件,如AC/DC功率因子校正、降压型/升压型DC/DC、高频DC/DC和双向AC/DC、DC/DC和DC/AC工具套件。此外,SpeedFit设计仿真器有助于仿真系统级电路的特征,为通用拓扑建立模型,并为你的应用选择合适的SiC器件。

无论是使用独立式模块还是大功率模块,从住宅到工业的储能应用,SiC都显示出了巨大的商机,Wolfspeed的产品组合/资源可以在确保低成本、小空间的同时实现最灵活、可扩展、高性能的设计,将会是您在开发电源应用时最佳的选择之一。

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