碳化硅的发展趋势及其在储能系统中的应用

碳化硅（SiC）技术比传统硅（Si）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和其他技术更具优势，包括更高的开关频率、更低的工作温度、更高的电流和电压容量以及更低的损耗，从而提高功率密度、可靠性和效率。本文将介绍碳化硅的发展趋势及其在储能系统（ESS）中的应用，以及Wolfspeed推出的碳化硅电源解决方案。

SiC技术大大降低了储能系统的成本，提高了效率

碳化硅已成为一项成熟的技术，正在改变电力行业在工业、能源和汽车领域的许多应用中，从瓦特到兆瓦。由于SiC器件在更低的温度下运行，而磁性器件则更小，因此热管理和功率元件现在变得更小、更轻、更便宜，从而降低了总BOM成本，同时也实现了更小的尺寸。

随着碳化硅技术的快速发展，碳化硅解决方案也被广泛应用于供电系统，特别是在储能系统（ESS）应用中，如电动汽车充电系统和具有电池储能的太阳能系统。这些系统中的DC/DC升压转换器、双向逆变器（用于AC/DC和DC/AC转换）和电池充电电路都可以从SiC技术中受益，从而使系统效率提高3%，功率密度提高50%，并减小无源元件的尺寸和成本。

典型的ESS架构，具有电源（光伏）、DC/DC转换器、电池充电器和逆变器，用于将能量输送到家庭或返回电网。所有三个电源模块均采用SiC技术，从而提高了效率、尺寸、重量和成本。

例如，在将ESS中收集的能量转换为存储或输送到家庭/建筑物时，通常使用用于太阳能光伏应用的DC/DC升压转换器。与传统硅技术相比，SiC技术具有更高的系统效率和功率密度，使系统尺寸减小70%，能耗降低60%以上，系统成本降低30%，使SiC技术成为ESS应用的最佳选择。

具有更高功率密度和系统效率的碳化硅解决方案

Wolfspeed推出了各种用于ESS应用的SiC解决方案，例如肖特基二极管/MOSFET（封装额定电流高达100 A，裸片封装额定电流高达196 A）和功率模块，如WolfPACK系列器件所示，其额定电流高达450 A。这些产品可用于单相住宅系统（5-15 kW）或三相商业系统（30-100 kW）。架构和电源电路拓扑结构相似;但是，它们可以根据功率级别进行缩放。

以Wolfspeed CRD-60DD12N参考设计为例，它是一款基于SiC的60 kW交错式升压转换器，包含多个SiC MOSFET和二极管。该架构采用四个交错通道，有助于将输出功率扩展到60 kW，同时在850 V电压下保持99.5%的效率直流输出。此设计包括两个C3M0075120K MOSFET（采用带有开尔文源极引脚的TO-247-4L封装）、每个通道两个C4D10120D二极管和一个CGD15SGOOD2隔离式分立式栅极驱动器。

在CRD-60DD12N参考设计中，如果在不同的开关频率下执行BOM成本分析/比较，尽管更高的工作温度可能会增加冷却成本，但由于使用更小、更轻的元件/磁性元件，因此可以在更高的频率（100 kHz与60 kHz）下实现显着的成本节约。然而，一般来说，更高的频率会带来更高的功率密度、更高的系统效率和更低的总体成本。因此，碳化硅技术有可能以更低的价格提供更好的性能。

支持高级数字控制方案的参考设计

对于采用SiC MOSFET的简单两电平逆变器/有源前端（AFE）设计，Wolfspeed的参考设计突出了逆变器和DC/DC充电电路的SiC优势，它们可以在单相或三相模式下运行，b可实现充电和放电的峰值效率超过98.5%。此参考设计的转换器部分由一个简单的两电平AC/DC转换器组成，该转换器与单相和三相连接兼容，仅使用6个SiC MOSFET。虽然这种配置可能不像大多数IGBT转换器那样低成本，但它在效率和损耗方面表现出色。另一方面，T型AC/DC转换器可能提供相似的开关频率和效率，但通常涉及复杂的控制、较高的器件数量和较低的功率密度。

在此参考设计中，直流母线电压最高可达900V，而电池电压通常保持在800V左右。由于电气和热应力，Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩSiC MOSFET具有品质因数、易于控制和V等特点，非常适合此应用GS系列驱动特性和开尔文源封装，可降低开关损耗和串扰。

这种拓扑结构支持具有不同功能的高级数字控制方案，例如单相交错式PFC方案或三相DQ变换空间矢量PWM方案，可平衡所有器件中的开关损耗，使其成为高度灵活的参考平台。利用每个开关的PWM控制有助于检测和平衡功耗，同时优化热性能、效率和可靠性。在单相充电的不同电压和电流范围内测量不同负载下的效率时，发现SiC的效率高达98.5%，而IGBT可能达到96%，因此SiC的损耗降低了约38%。三相充电也实现了类似的峰值效率，同时热性能在系统和设备限制范围内运行良好。

成本更低、可控性更强的隔离式DC/DC转换器设计

在设计隔离式DC/DC转换器时，最常用的解决方案是半桥和全桥LLC转换器。Wolfspeed的CRD-22DD12N参考设计是一款22kW解决方案，可配置为级联变频器或单个两电平变频器。级联转换器可以使用650V Si MOSFET或SiC组件，但Si MOSFET通常具有更高的器件数量、更高的导通损耗、更高的控制复杂性和更高的系统成本。单电平转换器使用SiC元件来提供更高的电压（1,200 V），并以更高的频率（200 kHz）进行开关。在这里使用SiC元件的主要优点是效率更高/损耗更低，以及一些附加功能，如零电压导通、低电流关断和更低的EMI风险。与级联转换器相比，单个两电平转换器的拓扑结构具有更少的部件数量，这有助于降低系统成本并简化控制。

在考虑这种22kW设计的功率组件时，Wolfspeed的C3M0032120K 1,200V 32mΩMOSFET可提供适合转换器的最佳电应力和热特性。此外，其VGS系列可支持15 V，使其易于驱动。可变直流母线电压控制（基于检测到的电池电压）可实现最佳系统效率，并确保CLLC在接近谐振频率的情况下运行。当电池电压较低时，控制模式切换到移相模式，从而降低增益，而不会在谐振频率范围之外低效地运行。

这样，这意味着使用相同的硬件可以在较低的输出电压下实现类似的高效率。如果需要更低的电池电压，可以将CLLC初级设置为半桥，这进一步降低了增益，但仍能保持一定的效率。由于较低的运行成本和不那么严格的热设计，这种较低的效率仍然是可以接受的。

该转换器的效率结果与逆变器参考设计相似，在大多数负载范围内的峰值效率为98.5%。在设计进入半桥模式之前，可变直流母线电压和由此产生的效率保持在97%以上，这限制了充电期间的效率和功率传输能力。通常，使用SiC MOSFET和灵活的控制方案可实现高效率（>98.5%的充电/放电效率）和高功率密度（8 kW/L）双向充电器，支持单相和三相交流输入。与硅相比，由于栅极驱动的简单性，可以以更低的系统成本实现更高的效率和功率密度，从而减少热管理组件、减少部件数量和更小的磁性元件。

碳化硅元件在工业应用方面受益匪浅，这主要是因为它们具有热特性和更快的开关速度和更低的损耗。SiC MOSFET在较高温度下表现出较低的导通损耗，因为导通电阻对温度的依赖性较小，因此可实现高频开关。此外，高性能体二极管可在谐振转换器应用中实现高可靠性，而较小的输出电容则更容易在LLC转换器中实现零电压开关。

另一方面，SiC的典型尺寸/重量优于Si组件（额定电压为650 V）。通常，硅元件需要变压器和谐振电感器，而SiC配置可以集成变压器/电感器，这将节省重量和空间。

无论是使用分立式解决方案还是高功率模块，碳化硅在从住宅到工业的储能应用中都显示出巨大的机会，能够以低成本和小尺寸实现最灵活、可扩展、高性能的设计。在开发电源应用时，它将是您的最佳选择之一。

审核编辑：汤梓红