基于碳化硅系统支持的趋势

推动电动汽车市场的绿色意识和法规推动了电池技术和碳化硅设计的创新，以改变绿色能源的产生。

现在，对可再生能源扩张的需求至关重要。日益增加的气候多变性，近期的化石燃料供应链问题以及长期有限的化石燃料资源面临不断增长的能源需求，已经使天平向有利于区域绿色能源的方向倾斜。

显著提高可再生能源（尤其是太阳能和风能）的投资回报率（ROI），意味着提高储能系统（ESS）的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不断增长的电动汽车（EV）市场加速了电池技术和碳化硅器件的创新，现在可以使用解决方案来帮助实现所有这些目标。

国际能源署（IEA）估计，到2022年，可再生能源产能将增加8%，达到300吉瓦。该机构称，引领可再生能源复兴的是太阳能光伏发电，它将占全球可再生能源容量增长的60%。这种增长的背后有几个原因，包括一些挑战的逐步解决。

太阳能电池板和相关电子设备已经变得更加高效，同时相对于化石燃料的成本也更低，并且速度比风能和水力发电更快。全球各国政府正在通过商业激励措施和监管支持来加强这一点。

风能和太阳能发电的特征间歇性，由于气候变异性2而恶化，可以通过增加ESS来缓解。电池技术的改进提供了容量扩展和成本的降低，而基于碳化硅的设计使这些系统更加高效。

太阳能光伏发电的一个关键优势是其广泛的可扩展性，从住宅应用中的几千瓦到公用事业规模太阳能发电场的兆瓦。与在非常高的功率和昂贵的公用事业规模投资下最可行的风能和水力发电不同，太阳能适合各种系统配置。

太阳能建筑通常分为三种配置。在住宅层面，微型逆变器支持1-4个面板块。组串式逆变器将面板集群从几千瓦到约50千瓦。从50 kW到200 kW，一体化的灯串可服务于商业和工业安装。兆瓦范围内的公用事业规模安装使用大型集中式系统，但现在经常选择基于分布式串的拓扑结构，以减少安装时间和成本以及点故障和整体维护成本的影响。

最大功率点跟踪器（MPPT）是一种DC-DC升压电路，它从面板阵列中获取变化的电压，并为内部总线提供恒定的较高电压（图1）。然后，更稳定的直流电由逆变器转换为电网标准交流电。在ESS实现中，双向DC-DC降压-升压电路充当电池充电器。如果需要从电网对ESS进行充电，逆变器也需要是双向的。

碳化硅技术助推

碳化硅适合这种应用，从升压/MPPT DC-DC、双向逆变器或有源前端（AFE）以及ESS充电/放电电路中的双向DC-DC中的低1 kW到大于1 MW配置。与硅相比，它提供了许多优点：

在大多数应用中，开关频率高出3倍

系统效率提高约2%，损耗降低约40%

功率密度提高多达50%（体积小3倍，重量减轻10倍）

更小的无源器件和散热器

降低系统总BOM成本

虽然碳化硅肖特基二极管长期以来一直用于MPPT升压电路以提高效率，但现在更广泛地采用带有MOSFET的全碳化硅实现。例如，Wolfspeed的CRD-60DD12N 15 kW x 4通道升压转换器参考设计可提供99.5%的能效和78 kHz的开关频率。与硅片相比，这种设计可提高1-2%的能效或约70%的损耗，3倍的功率密度和10倍的重量。所有这些性能都以更低的系统实施成本实现。

碳化硅对AFE部分也有类似的影响。六开关硅IGBT实现通常用于其相对较低的成本和简单性（图2）。然而，其开关频率被限制在最大约20 kHz，并且在高功率水平下，明显低于该频率。采用硅超级结（SJ）器件的多电平拓扑结构使设计人员能够通过高频开关和良好的系统效率实现所需的高电压电平，但代价是复杂的控制以及由附加开关以及相关器件驱动器驱动的器件数量和BOM成本显著增加。

在ESS领域，电动汽车市场已经影响了电池存储趋势，允许使用200V的电池组，并可能向800-1000V发展。这些高电压需要在双向DC-DC转换器中使用高压器件。设计人员经常在复杂的多电平谐振拓扑中使用常见的650 V SJ器件，在这些拓扑中，硅将开关频率限制在80 kHz和120 kHz之间。相反，更简单的全碳化硅实现，如CRD-22DD12N 22 kW双向DC-DC充电器，可以实现约200 kHz的谐振频率，同时降低器件数量和整体系统成本。

将基于碳化硅的双向AFE和DC-DC充电器相结合，可带来几个系统级优势：

能量损失降低40%，从而实现

更低的系统温度和更高的系统可靠性和使用寿命

更小的散热器或可能消除主动冷却

系统级效率提高2%

功率密度提高50%

系统成本降低多达18%

采用高功率碳化硅构建的未来

基于碳化硅的系统支持了几个关键的近期趋势。太阳能世界正在向1500 V总线发展，这需要2 kV设备或复杂的多级拓扑。在集中式逆变器区域，将需要2 kV或更高范围内的中高压设备和功率模块。

在当今的集中式逆变器中，碳化硅将提供单极开关，而不是双极开关，带来相同的效率、重量、尺寸和成本优势。这项新技术还将影响新的细分市场，包括固态变压器、风力发电和牵引。

审核编辑：彭静