碳化硅功率器件在储能领域的应用示例

碳化硅功率器件目前被广泛用于电源、用于电池充电和牵引驱动的电池电动汽车（BEV）电源转换、工业电机驱动以及太阳能和风力发电逆变器等可再生能源发电系统等应用。让我们更详细地看一下与储能相关的一些具体应用示例。

SiC功率器件目前广泛用于电源、用于电池充电和牵引驱动的电池电动汽车（BEV）电源转换、工业电机驱动以及太阳能和风能逆变器等可再生能源发电系统等应用。

碳化硅还支持未来的应用，例如：

大规模可再生能源使用和储能

中压（>2 kV）工业驱动器、列车、电网电源转换

快速充电一切

太阳能和电动汽车的住宅储能解决方案（ESS）

在每个家庭中安装ESS以利用可再生能源，并与该家庭使用的电动汽车进行双向连接，这是许多国家正在推动的未来趋势。这里的目标是仅在必要时使用电网电源。在住宅太阳能应用中，功率水平通常<15 kW，电压范围为90-240 V。例如，房屋屋顶上的太阳能电池板将提供直流电源为直流储能电池（ESS）充电，连接到ESS的微型逆变器为家庭供电或返回电网。因此，需要双向性。一些关键要求是尺寸、容量、效率和成本。与硅基电池相比，基于SiC的ESS电池充电具有许多优势。图2显示了一个具体示例，该示例说明了交流供电的15-20 kW充电器模块。

例如，对于功率为400 kW或更高的EV电池进行非车载充电时，电压电平可以为100 V，在这种情况下，可以使用此类模块的堆栈。与Si IGBT相比，更紧凑、更高效的SiC解决方案的效率提高了1-2%，功率密度提高了35-50%。由于SiC的较高开关频率减小了无源器件的尺寸和成本，因此整体系统成本较低，而导通电阻随温度变化而降低，从而降低了传导损耗。系统损耗的整体降低以及碳化硅导热性的提高降低了冷却成本。

工业太阳能MPPT升压组串式逆变器

图3所示的示例是一个60 kW MPPT（最大功率点跟踪）升压+组串式逆变器，可用于工业能源应用。这里的直流电压水平可能要高得多，例如800–1500 V，这在减少布线损耗方面具有优势。

这里比较的Si IGBT的开关频率为10-15 kHz，因此需要较大的升压电感器，而SiC的开关频率为75-100 kHz。基于SiC的系统在提高功率转换效率的同时，提供了高达3倍的尺寸优势和10倍的重量。这种尺寸/重量优势可以大大降低安装成本。在公用事业规模的层面上，您可以拥有一堆这样的组串式逆变器来转换兆瓦功率水平，这种安装成本优势被进一步放大。

用以下公式表示ESOI（投资能源节省的能量）：

ESOI=使用生命周期内节省的能源/生产SiC MOSFET与Si IGBT的边际能源成本

结果表明，尽管碳化硅制造更复杂，使用更多的能源，但对于55 kW的太阳能组串式逆变器应用，计算出的ESOI值为77至50，具体取决于位置（阳光较多的地方数字较高）。这意味着每年可节省100 kWh的能源，凸显了提高能源效率在此类应用中的关键作用。

从以上例子可以看出，碳化硅功率解决方案是未来绿色能源发电和储能应用的重要使能组件！

审核编辑：汤梓红