Wolfspeed SiC 改变太阳能基础设施格局
在全球范围内，各个社会正在越来越多地选择可用的可再生能源。无论是消费者还是大小型企业，都将太阳能视为一种可行的、清洁的且便利的能源来源。利用光伏板收集太阳能，无论是用于小型屋顶家庭安装还是商业办公楼上方，都提供了一种可扩展的可再生解决方案。在本文中，我们将探讨Wolfspeed SiC 如何改变太阳能基础设施。
高效能电能转换的重要性
将太阳能收集起来并将其转化为标准交流电网电压涉及多个阶段，每个阶段都会产生一定的损耗。能量转换损耗以不同形式表现出来，例如废热和电压降低，但总体上导致转换效率降低；输出的能量总是少于输入的能量。
设计高效的能量转换架构至关重要。减少损耗需要深入了解损耗发生的地方，包括I²R导体损耗、半导体导通损耗以及相关无源元件中产生的损耗。热量通常是能量损耗的结果，需通过使用散热片或强制风冷来进行散热，这会增加额外的重量、成本，并扩大整体体积。此外，在高温下运行电子元件会降低系统的可靠性，导致昂贵的停机时间和潜在的收入损失。
硅基半导体自一开始就占据主导地位，但对更紧凑、更高效和更低成本的电力转换的需求推动了新型半导体技术的研究。与硅相比，宽禁带材料（如碳化硅（SiC））能够在更高的开关频率和更高电压下运行，并具有更宽的工作温度范围，从而实现更小、更紧凑的设计以及更高的系统级功率密度。
太阳能逆变器使用案例比较
基于硅的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）历史上一直被用作太阳能和储能系统中逆变器内的高功率开关晶体管。然而，Wolfspeed 的650 V 和1200 V SiC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）及相关的碳化硅二极管提供了显著的优势，包括系统损耗减少70%，重量减少80%（对于一个60 kW的逆变器）以及系统成本降低高达15%。此外，与硅器件相比，Wolfspeed的碳化硅MOSFET在温度下表现出业界领先的导通电阻（Rds(on)）特性，并且峰值反向恢复电流减少了30%。
图 1 展示了一个60 kW太阳能逆变器与储能系统的高层架构。三大功能阶段需要使用开关半导体：800 V输出的MPPT升压电路、400 VAC三相逆变器，以及400 V电池充电/储能系统（ESS）。相比IGBTs，采用Wolfspeed的SiC MOSFET和SiC二极管的组合方案可使整体系统效率提高3%，这代表系统损耗减少了70%。
图 1：商业 60 kW 太阳能逆变器和储能系统的高层功能架构
图 2 展示了在每个阶段效率提升、功率密度增加以及功率损耗减少的情况。在示例中，Wolfspeed SiC MOSFET 的运行频率为 45 kHz，相较之下 IGBT 的运行频率为 16 kHz。
图 2：Wolfspeed 的 SiC、混合 SiC 和纯硅方案在效率、功率密度和功率损耗减少方面的比较
Wolfspeed 的 SiC MOSFET，例如用于图 2 中 30 kW 升压部分的 C3M0040120K 1200 V 器件，可以在比 IGBT 更高的开关频率下运行，从而允许使用更小的电感和电容元件，这进一步有助于减少逆变器的占用空间。与 SiC MOSFET 相辅相成的是 Wolfspeed 的 SiC 二极管，例如 C4D30120H，一种 1200 V 肖特基二极管，可提供高效的搭配组合。采用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管设计的逆变器比基于 IGBT 的设备轻至 80%。例如，一个 60 kW 的 IGBT 逆变器重 173 公斤（380.6 磅），而基于 Wolfspeed 碳化硅的逆变器仅重 33 公斤（72.6 磅）。这种重量的减少在安装过程中带来了显著优势，因为安装 IGBT 系统需要起重机和多名人员。鉴于重量的减少，安装和调试 SiC 逆变器所需的人员更少，总体实施成本降低，整个过程也更加高效。
图 3：通过Wolfspeed SiC解决方案设计重量减轻达80%的逆变器
使用Wolfspeed的SiC MOSFETs于三相60 kW太阳能逆变器的优势，同样适用于住宅太阳能安装中使用的小型单相逆变器。在住宅逆变器中，SiC简化了逆变器设计，并且得益于Wolfspeed SiC MOSFET所具备的降低恢复损耗特性，损耗减少了超过80%。
图 4 展示了单相 7kW 住宅逆变器的最大功率点追踪 (MPPT) 升压转换器和逆变器阶段。升压功能是任何太阳能逆变器设计中的关键部分，因为太阳能板的输入电压会因天气条件的变化而在一天中出现显著波动。通过将输入电压升压至稳定的 400 V，系统可以更高效地运行，同时逆变器也能输出可靠的 220 VAC。Heric 拓扑逆变器使用了四个 Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET，以降低损耗，与使用 IGBT 器件相比减少了 17%。升压功能使用了 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变化，能够实现超高速开关操作，同时拥有最低的正向压降温度特性，并表现出温度无关的开关行为。
图 4：单相 7 kW 住宅太阳能逆变器的 MPPT 提升和逆变阶段
为了加速单相太阳能逆变器的开发，Wolfspeed 提供了一款60 kW升压转换器参考设计。CRD-60DD12N参考设计包含原理图、电路板布局和物料清单（BOM），并使用了Wolfspeed的C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET和Wolfspeed的C4D10120D 1200 V SiC肖特基二极管。这款60 kW设计可以在高达78 kHz的切换频率下运行，并实现高达99.5%的峰值效率。
Wolfspeed SiC 设计资源
立即使用 Wolfspeed SpeedFit™ Design Simulator 开始模拟您的太阳能设计，体验使用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 和二极管的优势。SpeedFit 提供了一个易于使用的在线界面，可以快速运行模拟以预测导通和开关损耗，评估性能如何随 Rg 变化，以及比较不同器件和热配置的效果。
文章标签
