碳化硅设计创新以实现绿色能源发电的转型

　　推动电动汽车市场发展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，以实现绿色能源发电的转型。

　　现在，扩大可再生能源的需求至关重要。日益加剧的气候变化、近期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，这些因素都促使区域绿色能源发展。

　　显着提高可再生能源（特别是太阳能和风能）的投资回报（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2022年，可再生能源发电量将增长8%，达到300吉瓦。1据该机构称，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发电量增长的60%。这种增长背后有几个原因，包括一些挑战的逐步解决。

　　太阳能电池板和相关电子产品已经变得更加高效，同时相对于化石燃料也实现了更低的成本，并且速度比风能和水力更快。全球各国政府都在通过商业激励和监管支持来实现这一目标。

　　风能和太阳能发电的间歇性特征因气候变化2而变得更加恶化，通过添加ESS可以缓解这一问题。电池技术的改进正在扩大容量并降低成本，而基于碳化硅的设计正在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中的兆瓦。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，而太阳能则不同，它适合多种系统配置。

　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。串式逆变器聚集了从几千瓦到约50千瓦的面板集群。从50 kW到200 kW，集成组串可为商业和工业设施提供服务。兆瓦范围内的公用事业规模安装使用了大型集中式系统，但现在通常选择基于分布式组串的拓扑，以降低安装时间和成本以及点故障的影响和总体维护成本。

　　最大功率点跟踪器(MPPT)是一个DC-DC升压电路，它从面板阵列获取变化的电压，并向内部总线提供恒定的较高电压（图1）。然后，更稳定的直流电通过逆变器转换为电网标准交流电。在ESS实施中，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

　　碳化硅适合升压/MPPT DC-DC、双向逆变器或有源前端(AFE)以及ESS充电/放电中的双向DC-DC中从低1kW到大于1MW配置的应用电路。与硅相比，它具有许多优势：

　　大多数应用中的开关频率提高了3倍

　　系统效率提高约2%或损耗降低约40%

　　功率密度提高高达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BOM总成本

　　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，但现在更广泛地采用带有MOSFET的全碳化硅实施方案。例如，与硅可实现的效果相比，该设计的能源效率提高了1-2%，损耗减少了约70%，功率密度提高了3倍，重量减轻了10倍。所有这些性能都以较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实施因其相对较低的成本和简单性而被广泛使用（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，明显低于该值。使用硅超级结(SJ)器件的多级拓扑使设计人员能够实现高频开关和良好系统效率所需的高电压电平，但代价是复杂的控制以及由额外开关驱动的部件数量和BOM成本显着增加以及相关的设备驱动程序。

　　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，并可能转向800-1000V。这些高电压需要在双向DC-DC转换器中使用高电压器件。设计人员经常在复杂的多级谐振拓扑中使用常见的650 V SJ器件，其中硅将开关频率限制在80 kHz至120 kHz之间。相反，更简单的全碳化硅实施（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，同时部件数量和总体系统成本也更少。

　　将基于碳化硅的双向AFE和DC-DC充电器相结合可带来多种系统级优势：

　　能源损失降低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

　　较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%

　　系统成本降低高达18%

审核编辑：刘清