碳化硅将绿色替代品带入良性循环

推动电动汽车市场的绿色意识和法规推动了电池技术和基于碳化硅的设计的创新，以改变绿色能源生产。

现在，可再生能源扩张的需求至关重要。日益增加的气候变异性、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，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设备的创新，现在可以使用解决方案来帮助实现所有这些目标。

阳光照耀太阳能的成功

国际能源署（IEA）估计，到8年，可再生能源产能将增加300%，达到2022吉瓦。1 据该机构称，引领可再生能源复兴的是太阳能光伏，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，包括逐步解决一些挑战。

太阳能电池板和相关电子设备变得更加高效，同时相对于化石燃料的成本也更低，而且速度比风能和水力更快。全球各国政府正在通过商业激励和监管支持来建立这一目标。

风能和太阳能发电的特征性间歇性，由于气候多变性而恶化2，可以通过添加ESS来缓解。电池技术的改进提供了容量扩展和更低的成本，而基于碳化硅的设计使这些系统更加高效。

太阳能光伏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。与风能和水力发电不同，风能和水力发电在非常高的功率和昂贵的公用事业规模投资下最可行，太阳能适合多种系统配置。

面板到ESS系统概述

太阳能架构通常分为三种配置。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聚合到大约 50 kW。从 50 kW 到 200 kW，串筒集成用于商业和工业设施。兆瓦范围内的公用事业规模安装使用大型集中式系统，但现在通常选择基于字符串的分布式拓扑，以降低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，它从面板阵列获取变化的电压，并为内部总线提供恒定的更高电压（图 1）。然后，逆变器将更稳定的直流电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ESS需要从电网充电，逆变器也需要是双向的。

碳化硅技术提升

碳化硅适合从低 1 kW 到大于 1 MW 配置的升压/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 中的应用。与硅相比，它具有许多优势：

在大多数应用中开关频率提高 3 倍

系统效率提高 ~2% 或损耗降低 ~40%

功率密度提高多达 50%（体积缩小 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

尽管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，但现在已更广泛地采用MOSFET的完整碳化硅实现。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。与硅可实现的相比，这种设计可提供 1-2% 的能效提升或约 70% 的损耗、3 倍的功率密度和 10 倍的重量减轻。所有这些性能都降低了系统实施成本。

碳化硅对AFE部分也有类似的影响。六开关硅 IGBT 方案因其相对较低的成本和简单性而常用（图 2）。但是，其开关频率限制在最大约20 kHz，并且在高功率水平下，明显低于该频率。使用硅超级结 （SJ） 器件的多电平拓扑允许设计人员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，以及由额外的开关和相关器件驱动器驱动的显著增加的器件数量和 BOM 成本。Wolfspeed 的 CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 参考设计已经证明了这一点。

在ESS领域，电动汽车市场影响了电池存储趋势，允许使用200V的电池组，并可能向800-1000V迈进。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，其中硅的开关限制在80 kHz和120 kHz之间。相反，更简单的全碳化硅实现，例如CRD-22DD12N 22 kW双向DC-DC充电器，可以实现约200 kHz的谐振频率，同时减少器件数量和整体系统成本。

结合基于碳化硅的双向AFE和DC-DC充电器，具有多个系统级优势：

能量损失降低 40%，进而实现

更低的系统温度，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%

未来采用高功率碳化硅制造

基于碳化硅的系统支持几个关键的近期趋势。太阳能世界正朝着1500 V总线发展，这需要2 kV设备或复杂的多电平拓扑。在中央逆变器领域，将需要2 kV或更高范围内的中高压设备和功率模块。

碳化硅将提供单极开关，而不是当今集中式逆变器中的双极开关，带来相同的效率、重量、尺寸和成本优势。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：郭婷