【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）技術(shù)具有比傳統(tǒng)的硅（Si）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等技術(shù)具有更多優(yōu)勢(shì)，包括更高的開關(guān)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(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)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(shì)與在儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）上的應(yīng)用，以及由Wolfspeed推出的SiC電源解決方案。
大幅降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本與提升效率的SiC技術(shù)
當(dāng)前的SiC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以適用在從千瓦到兆瓦功率的工業(yè)應(yīng)用范圍中，影響了能源、工業(yè)和汽車等眾多領(lǐng)域。由于SiC器件運(yùn)作時(shí)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了更小的占用空間。
隨著SiC技術(shù)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(yīng)用中，像是電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，以及利用電池儲(chǔ)存電能的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器、雙向逆變器（交流電和直流電互相轉(zhuǎn)換）、電池充電電路，都可以采用SiC技術(shù)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(gòu)將包含了電源（光伏）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池充電機(jī)，以便將能量輸送到家庭端或輸送回電網(wǎng)的逆變器，在這三個(gè)電源模塊中采用SiC技術(shù)，將可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。
例如，在ESS中對(duì)收集到的能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將其用于存儲(chǔ)或?yàn)樽≌ㄖ╇姇r(shí)，必須進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，其將采用光伏應(yīng)用的升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，SiC技術(shù)將比傳統(tǒng)的硅技術(shù)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(huì)降低30%，使SiC技術(shù)成為ESS應(yīng)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(duì)ESS應(yīng)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(dá)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(dá)450A額定電流的功率模塊。這些產(chǎn)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(gòu)和電源電路拓?fù)浠鞠嗨?，但是它們可以根?jù)功率級(jí)別來進(jìn)行調(diào)整。
以Wolfspeed參考設(shè)計(jì)CRD-60DD12N為例，這是一款采用碳化硅技術(shù)的60kW交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器，其中包含幾個(gè)SiC MOSFET和二極管。在架構(gòu)上采用四路交錯(cuò)并聯(lián)，可達(dá)到60kW的調(diào)節(jié)輸出功率，并同時(shí)在輸出850VDC時(shí)保持99.5%的效率。該設(shè)計(jì)包含兩個(gè)C3M0075120K MOSFET（具備開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每路拓?fù)溆袃蓚€(gè)C4D10120D二極管和一個(gè)CGD15SGOOD2隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
在CRD-60DD12N參考設(shè)計(jì)中，若對(duì)不同開關(guān)頻率下的BOM成本進(jìn)行了分析／對(duì)比，其在更高的頻率下（100kHz相對(duì)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(huì)由于更高的運(yùn)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(shù)將能夠以更低的價(jià)格提供更好的性能。
基于碳化硅的60 kW交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)
支持先進(jìn)的數(shù)字控制方案的參考設(shè)計(jì)
在應(yīng)用SiC MOSFET進(jìn)行簡(jiǎn)單的兩階逆變器／AFE設(shè)計(jì)時(shí)，Wolfspeed的參考設(shè)計(jì)可在單相或三相模式下運(yùn)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(shì)。該參考設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器部分包括一個(gè)簡(jiǎn)單兩階AC/DC轉(zhuǎn)換器，兼容單相和三相連接，并且只有6個(gè)SiC MOSFET。這種配置雖然不像大多數(shù)的IGBT轉(zhuǎn)換器那樣成本低廉，但會(huì)在效率和損耗方面表現(xiàn)得更好。雖然也可以采用T型AC/DC轉(zhuǎn)換器，來提供了相似的開關(guān)頻率和效率，但這種轉(zhuǎn)換器往往擁有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，并必須采用更多數(shù)量的部件，且其功率密度較低。
在這個(gè)參考設(shè)計(jì)中，直流輸出電壓可以高達(dá)900 V，而電池電壓通常在800 V左右。由于電及熱應(yīng)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(zhì)因子、易于控制和Vgs驅(qū)動(dòng)特性、開爾文源極封裝等優(yōu)點(diǎn)，可以減少開關(guān)損耗和串?dāng)_等問題。
采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于實(shí)現(xiàn)不同功能的先進(jìn)數(shù)字控制方案，像是用于設(shè)計(jì)單相交錯(cuò)PFC方案，或是采用DQ轉(zhuǎn)換的三相空間向量PWM方案，這些方案可以達(dá)成所有器件開關(guān)損耗的平衡，進(jìn)而形成一個(gè)非常靈活的參考平臺(tái)。利用PWM控制開關(guān)將有助于檢測(cè)和功率消耗平衡，同時(shí)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(cè)量各種負(fù)載下的效率時(shí)，SiC的效率將高達(dá)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(shí)，實(shí)現(xiàn)了相同的峰值效率，同時(shí)在系統(tǒng)和器件限制下的熱性能也運(yùn)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(shí)現(xiàn)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(gè)功率級(jí)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
在進(jìn)行隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時(shí)，主流的解決方案是半橋LLC和全橋LLC轉(zhuǎn)換器。Wolfspeed的CRD-22DD12N參考設(shè)計(jì)是一種22kW的解決方案，可配置成串級(jí)轉(zhuǎn)換器或單級(jí)兩階轉(zhuǎn)換器之中。串級(jí)轉(zhuǎn)換器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件，但Si MOSFET通常會(huì)需要更多數(shù)量的部件，更高的導(dǎo)通損耗，更復(fù)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(zhuǎn)換器可在更高的電壓（1200 V）和高達(dá)200 kHz的開關(guān)頻率下工作。SiC架構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)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(dǎo)通、低電流關(guān)斷和更低的電磁干擾EMI風(fēng)險(xiǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比串級(jí)轉(zhuǎn)換器的部件數(shù)更少，有助于降低系統(tǒng)成本，提供更簡(jiǎn)單的控制。
22kW全橋CLLC DC/DC轉(zhuǎn)換器-串聯(lián)式（上）和單級(jí)兩電平（下）
在22kW設(shè)計(jì)上選擇功率器件時(shí)，Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET將可提供最佳的電氣應(yīng)力和熱特性來適配轉(zhuǎn)換器。此外，它的Vgs可以支持15V，使之更易驅(qū)動(dòng)。它具備可變直流鏈路電壓控制，可依據(jù)感知的電池電壓來使系統(tǒng)效率達(dá)到最佳，并確保CLLC運(yùn)行接近諧振頻率。當(dāng)電池電壓較低時(shí)，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(yùn)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(shí)現(xiàn)類似的高效率。如果需要更低的電池電壓，CLLC一次側(cè)可以設(shè)置為半橋運(yùn)行，這將可進(jìn)一步降低增益，但仍維持一定效率。由于其運(yùn)行成本較低，熱設(shè)計(jì)不那么嚴(yán)格，故較低效率仍然可以接受。
這種設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器的效率值與逆變器參考設(shè)計(jì)相似，在大多數(shù)負(fù)載上的峰值效率為98.5%。在設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)器具備的簡(jiǎn)單性，可減少熱管理器件，部件數(shù)量更少，并可使用更小的磁性器件，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度，進(jìn)而系統(tǒng)成本得以明顯降低。
SiC和Si在尺寸和重量上的對(duì)比
總結(jié)
SiC器件具有更佳的熱性能、更快的開關(guān)速度和更低的損耗，由于其導(dǎo)通電阻對(duì)溫度的依賴性較低，使其相當(dāng)適合工業(yè)應(yīng)用，SiC MOSFET在較高溫度下的導(dǎo)通損耗較低，并能實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)。此外，高性能主體二極管支持更高可靠性的諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，而較小的輸出電容使LLC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通變得更為容易。
另一方面，SiC對(duì)比硅器件（額定650V）在尺寸／重量上也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通常，硅器件還需要一個(gè)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(yīng)于應(yīng)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(jí)別的WolfPACK模塊和高階的大功率模塊解決方案，設(shè)計(jì)人員可以在降低BOM成本和優(yōu)化實(shí)體尺寸／布局的同時(shí)，選擇多種不同的拓?fù)洹?/p>
Wolfspeed還提供了多種拓?fù)涞膮⒖荚O(shè)計(jì)和評(píng)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(shè)計(jì)仿真器有助于仿真系統(tǒng)級(jí)電路的特征，為通用拓?fù)浣⒛Ｐ停槟愕膽?yīng)用選擇合適的SiC器件。
無論是使用獨(dú)立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業(yè)的儲(chǔ)能應(yīng)用，SiC都顯示出了巨大的商機(jī)，Wolfspeed的產(chǎn)品組合／資源可以在確保低成本、小空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最靈活、可擴(kuò)展、高性能的設(shè)計(jì)，將會(huì)是您在開發(fā)電源應(yīng)用時(shí)最佳的選擇之一。
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