使用SiC实现太阳能和可再生能源功率转换

风能和太阳能等基本可再生能源解决方案通常与储能相结合，是该行业增长最快的领域之一，而宽带隙碳化硅 (SiC)技术是这些解决方案的核心。终端系统设计人员已经确定，碳化硅功率半导体能够实现比硅 (Si) 更高效、更小且更具成本效益的解决方案。碳化硅组件明显更加可靠，并且在处理电网级电压方面具有卓越的性能。

可再生能源系统中的 SiC 与 Si 器件

Wolfspeed 致力于 SiC 领域，拥有 30 多年的广泛研究，并拥有适用于所有重视效率、功率密度和整体系统成本的电源应用的多样化宽带隙 SiC 器件组合。

图 1：Wolfspeed SiC 实现太阳能 DC/DC 和 DC/AC 电源转换。

太阳能或储能等可再生能源领域的硬件设计人员已经利用碳化硅取得了成果。SiC 可实现高频开关而不损失效率；简而言之，这意味着更小的电路磁性和更平坦的导通电阻 (R DS(on) ) 在温度范围内，从而在真实工作条件下降低传导损耗。无论是提高光伏电池板的功率还是将功率逆变回电网，碳化硅都是一个明确的选择，因为它通过提高功率密度、减小系统的尺寸和重量以及平衡系统成本来实现设计。

Wolfspeed SiC 的实际设计影响

目前，事实证明 SiC 比传统使用的硅更有效。太阳能串系统在一系列电池板和并网逆变器之间实现最大功率点跟踪 (MPPT)。MPPT 本质上是一个升压转换器，其中效率和功率密度对系统设计的性能至关重要。在过去的设计中，升压器将基于 IGBT，器件的开关频率为 15–30 kHz，效率在 ~97% 的范围内。

通过使用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二极管实现相同的升压电路，系统级效率现在达到了 99.5% 的峰值，同时显着改善了整体 MPPT 尺寸和成本（图 2）。

图 2：IGBT 50-kW MPPT 升压器（左）与 Wolfspeed 的 SiC 60-kW MPPT 升压器（右）的物理尺寸对比

Wolfspeed SiC 的设计实现很简单：提高 SiC MOSFET 的开关频率并利用 SiC 升压二极管的近零反向恢复特性。这有助于实现最低的电路损耗，同时最小化升压电感器、电容器和冷却系统的尺寸，从而降低成本。

性能比较

为什么增加开关频率会产生如此大的影响？因为使用 Wolfspeed 碳化硅器件，该系统可以在 IGBT 开关频率的 3 至 4 倍下运行，同时提高整体效率。

图 3 显示了硅 IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 之间的器件开关频率的并排比较，以及对升压器无源元件和冷却设计的相关系统级影响。可以清楚地看到，随着 SiC MOSFET 开关频率增加到 60 kHz 及更高，体积大且成本高的升压电感器、电容器和散热器可以最小化。

图 3：碳化硅开关频率效应

从图 4 中可以看出，增加开关频率对升压电感器的值和尺寸的实际影响。升压扼流圈的尺寸可以减少到 16kHz IGBT 解决方案的一半，成本可以降低约 40%。

图 4：使用 IGBT 和 SiC MOSFET 的升压电感器选择（SiC MOSFET = 47 kHz，140 µH）

结论

Wolfspeed SiC 目前支持广泛的应用，因为事实证明，基于 SiC 的解决方案比传统的基于 Si 的解决方案具有更高的效率、功率密度和系统成本效益。设计人员可以利用 SiC MOSFET 更高的开关速度和更低的传导损耗来减小电路磁性元件和其他无源元件的尺寸和成本，从而在不影响效率和成本的情况下实现显着的功率密度改进。

注意：上面列出的所有数字都是近似值，可能会根据应用而变化。


审核编辑：刘清