Wolfspeed SiC 助力实现太阳能基础设施转型

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如今,世界各地的人们越来越多地尽可能选择可再生能源。各类消费者和大大小小的企业都将太阳能视为一种可行、清洁、便利的能源形式。无论是安装在空间紧凑的住宅屋顶,还是安装在商业楼宇之上,利用光伏板收集太阳能都可谓一种可扩展的可再生方法。在本文中,我们将探讨 Wolfspeed SiC 如何转型太阳能基础设施。

高效功率转换的重要意义

收集太阳能并将其转换成标准的交流电网电压涉及多级转换,而每级转换都会遭受一些损耗。能量转换损耗表现的形式多种多样(如废热和电压降低),但无论何种形式,都会共同导致转换效率低下,造成得到的比投入的要少。

损耗、半导体导通损耗以及发生在相关无源元件中的损耗。通常,能量损耗致使产生热量,这些热量需要借助散热器或强制风冷装置予以消散,而这会增加额外的重量和成本,并会扩大整体的占用空间。此外,在高温下操作电子元件会降低系统的可靠性,进而导致代价不菲的停机时间和潜在的收入损失。

在这一领域,硅基半导体从一开始就占据了主导地位,但对更紧凑、更高效、更低成本功率转换的需求推动了对新型半导体技术的研究。与硅相比,碳化硅 (SiC) 等宽禁带材料可在更高开关频率及更高电压下工作,并且具有更宽泛的工作温度范围,可实现体积更小、更紧凑的设计,并可提高系统级的功率密度。 

太阳能逆变器使用案例比较

在太阳能和储能系统所用的逆变器中,硅基绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 历来都被用作大功率开关晶体管。但 Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V SiC MOSFET 以及相关的 SiC 二极管可提供显著优势,包括将系统损耗降低 70%、将重量减轻 80%(对于 60 kW 逆变器)、将系统成本削减高达 15%。此外,Wolfspeed 的 SiC MOSFET 具有在温度范围内业界领先的 Rds(on) 特性,以及与硅基同类产品相比,降低 30%的峰值反向恢复电流。

图 1 显示的是 60 kW 太阳能逆变器和储能系统的高级架构。800 Vout MPPT 升压电路、400 VAC 三相逆变器和 400 V 电池充电器/储能系统 (ESS) 这三个功能级需要开关半导体。与 IGBT 相比,采用Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管相结合的方法,可使整体系统效率提高 3%,等效于降低70%的系统损耗。 

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图 1: 商用 60 kW 太阳能逆变器和储能系统的高级功能架构

图 2 详细说明了每个级在效率、功率密度和功耗降低方面的获益。此例中,Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的工作频率为 45kHz 或更高,相比之下,IGBT 的工作频率为 16 kHz。

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图 2: Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和仅硅基方式在效率、功率密度和损耗方面的比较

与 IGBT 相比,Wolfspeed 的 SiC MOSFET(如图 2 中 30 kW 升压电路部分所使用的 C3M0040120K 1200 V 器件)可在高得多的开关频率下工作,使得可以使用体积更小的电感器和电容元件,从而进一步有助于减少逆变器的占用空间。作为 SiC MOSFET 的补充,Wolfspeed 的 SiC 二极管(例如 C4D30120H 1200 V 肖特基二极管)提供了高效的配对组合。与基于 IGBT 的装置相比,使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管设计的逆变器重量可减轻多达 80%。例如,一个 60 kW IGBT 逆变器重 173 kg(约 380.6 磅),而基于 Wolfspeed 碳化硅的逆变器重 33 kg(约 72.6 磅)。由于安装 IGBT 系统需要起重机和多名人员,因此,这种重量减轻可在装配过程中带来显著优势。重量减轻使得安装和调试 SiC 逆变器所需的人员更少,总体实施成本降低,装配过程的效率也大大提高。

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图 3: 利用 Wolfspeed SiC 解决方案设计重量可减轻多达 80% 的逆变器

Wolfspeed SiC MOSFET 用于三相 60 kW 太阳能逆变器所获得的益处,同样适用于户用太阳能装置使用的小型单相逆变器。对于户用逆变器,SiC 简化了逆变器的设计,而且得益于 Wolfspeed SiC MOSFET 的恢复损耗属性减少,损耗可降低 80% 以上。

4 显示的是单相 7 kW 户用逆变器的最大功率点跟踪 (MPPT) 升压转换器级和逆变器级。对于所有太阳能逆变器设计而言,升压功能都是一个关键方面,这是因为随着天气条件的变化,电池板的输入电压在白天会有很大变化。通过将逆变器的输入电压提升到一致的 400 V,系统可更高效地运行,逆变器也会提供可靠的 220 VAC 输出。Heric 拓扑逆变器采用四个 Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET,与采用 IGBT 器件相比,可将损耗降低 17%。升压功能采用 Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC 肖特基二极管。与其他硅二极管相比,Wolfspeed 二极管表现出零反向恢复特性,使得可进行超快速开关操作,并且具有在温度范围内的最低正向电压降特性,以及与温度无关的开关行为。

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图 4: 单相 7 kW 户用太阳能逆变器的 MPPT 升压级和逆变器级

为加快单相太阳能逆变器的开发,Wolfspeed 提供了一种 60 kW 升压转换器参考设计。CRD-60DD12N 参考设计包括原理图、PCB 布局和 BOM,并采用 Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 和 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 肖特基二极管。60 kW 设计可在高达 78 kHz 的开关频率下工作,峰值效率高达 99.5%。 

Wolfspeed SiC 设计资源

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