先進碳化矽技術，有效協助儲能系統

人們普遍認識到，碳化矽（SiC）現在作為一種成熟的技術，在從千瓦到兆瓦功率的工業應用範圍中，影響了能源、工業和汽車等眾多領域。這主要是由於它比以前的矽（Si）和絕緣柵雙極電晶體（IGBT）的應用具有更多優勢，包括更高的開關頻率，更低的工作溫度，更高的電流和電壓容量，以及更低的損耗，進而可以實現更高的功率密度，可靠性和效率。得益於更低的溫度和更小的磁性元件，使得熱管理器件和電子元件尺寸也更小，重量更輕，成本更低，從而降低了系統總成本，同時也實現了更小的系統體積以及高功率密度。 

碳化矽已經是一種成熟的技術，並且是在電力傳輸系統的一種非常常見的解決方案，特別是在儲能系統應用中，如電動汽車充電系統和太陽能儲能系統。這些系統通常都會使用SiC元件，如DC/DC升壓轉換器，雙向逆變器（交流和直流互相轉換），和電池充電電路。簡而言之，使用碳化矽使系統效率提高了3%，功率密度提高了50%，並減少了被動元件的體積和成本。 

大多數儲能系統（ESS）都有多級能源轉換器，如使用碳化矽元件在儲能系統可以從中獲得高效率、高功率密度。Wolfspeed提供數種封裝的元件，如肖特基二極體/ MOSFET（具有高達100A額定電流封裝/196-A裸模封裝）和WolfPACK系列元件中所使用的具有高達450A額定電流的功率模組。無論是單相家用系統（5-15 kW）或是三相商用系統（30-100 kW），其架構和電源電路拓撲基本相似，都可以根據功率級別進行調整使用不同的封裝元件。 

圖1為一典型的ESS架構，包含電源（光伏, PV或任何替代能源）， DC/DC轉換器，雙向電池充電器，雙向逆變器。這種配置下的三個電源模組中，SiC可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。 

SiC在ESS電源模組中的優勢 

如上所示，當對收集到的能源進行轉換並將其用於儲存或為住宅/建築供電時，需要幾個能源轉換的步驟。以DC/DC轉換器為例，DC/DC轉換通常由一個升壓轉換器實現，SiC 元件能為此轉換器帶來更高的系統效率和功率密度。與Si等傳統技術相比，SiC技術的獨特優勢包括系統尺寸減少70%，能源消耗減少60%以上，系統成本降低30%之多。 

圖2為基於碳化矽的60kW交錯式升壓轉換器（來自Wolfspeed參考設計CRD-60DD12N）的範例，其中包含SiC MOSFET和二極體。使用四相升壓轉換器交錯式並聯，輸出功率高達60kW，同時在輸出850VDC時，達到99.5%的效率。該設計包含兩個C3M0075120K MOSFET（帶開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每相轉換器中有兩個C4D10120D二極體和一個CGD15SGOOD2隔離式柵極驅動器。 

在上圖的參考設計中，對不同開關頻率下的系統成本進行了分析/對比。在更高的頻率下（100kHz相對於60kHz），得益於更小、更輕的元件/磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統可能會由於更高的運行溫度而增加一些成本。但就總體來說，更高的頻率通常意味著更高的功率密度、更高的系統效率和更低的成本。這就是為何SiC能夠以更低的價格提供更好的性能。 

另一個Wolfspeed參考設計（圖3）展現出了SiC在逆變器和DC/DC充電電路中的優勢。該設計在單相或三相模式下運行，充電和放電的峰值效率大於98.5%。轉換器部分包括一個簡單兩階AC/DC轉換器，相容單相和三相電源輸入，並且只使用6個SiC MOSFET。與常見成本低廉的IGBT轉換器相較之下，在效率和損耗方面擁有更好的表現。雖然T型AC/DC轉換器提供了相似的開關頻率和效率，但其需要較為複雜的控制和更多數量的器件與較低的功率密度。

在上圖的設計中，直流輸出電壓可以高達900 V，而電池電壓通常在800 V左右。考量到電氣應力以及熱應力的影響，Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET，具有易於控制和V_gs驅動特性、Kelvin source封裝等優點，並減少開關損耗和干擾等問題，非常適合用於此應用。 

這種拓撲結構適合用於數位控制以符合不同功能的需求，如單相交錯PFC或基於DQ變換的三相空間向量PWM，這些控制方案，可以使元件達到開關損耗的平衡，同時優化熱性能，提高效率和可靠性。 

在測試、測量各種負載下的效率和單相充電的電壓範圍時，結果表明，SiC的效率高達98.5%，而IGBT的最高效率為96%， 因此SiC的損耗降低約38%。圖4顯示了在不同功率水準下充電和放電的AFE的兩組圖表。

三相充電實現了相同的峰值效率，同時在系統和設備限制下熱性能也運行良好。儘管T型拓撲也可以達到類似的性能，但其通常需較為複雜的控制，成本更高。 

對22kW逆變器/AFE配置總結一下，C3M0032120K SiC MOSTET和多樣化控制方案可以實現高效率（>98.5%），高功率密度（4.6 W/L），低損耗（60%），以及雙向工作，並且支援三相AC和單相AC輸入，同時也支援寬廣的輸出200-800 VDC的電池電壓範圍。 

SiC在DC/DC電池充電電路中的優勢 

很多拓撲需要隔離型DC/DC轉換器;然而，最主流的解決方案是半橋LLC和全橋LLC轉換器。參考設計（Wolfspeed的CRD-22DD12N）展示了一種22kW的解決方案，可配置成串聯式轉換器或單個兩級轉換器。串聯式轉換器可以使用650V Si MOSFET或SiC元件，但通常會需要更多數量的部件，更高的導通損耗，更複雜的控制，以及更高的系統成本。使用SiC元件的單級兩階轉換器在更高的電壓（1200 V）和高達200 kHz的開關頻率下工作。SiC其最大優勢是更高的效率/更低的損耗，並具有一些額外的特性，如零電壓導通、低電流關斷和更低的電磁干擾EMI風險。這種拓撲結構比串聯式轉換器的部件數更少，有助於降低系統成本，提供更簡單的控制。圖5展示了這兩種拓撲的差異。 

當考慮22kW設計的功率元件時，再次證明了C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET提供了最佳的電氣應力和熱特性。此外，其V_gs可以支援15V，使之更易驅動。可變直流鏈路電壓控制（基於電池電壓）使系統效率達到最佳，並確保CLLC運行接近諧振頻率。當電池電壓較低時，控制切換到相移模式，這樣就降低了增益，防止在諧振頻率範圍外低效地運行。這意味著使用相同的硬體也可以在較低的輸出電壓下實現高效率。如果需要更低的電池電壓，此參考設計可以轉換成半橋運行，這樣進一步降低了增益，並保持高效率。考量到較低運行成本以及散熱設計，半橋式CLLC的較低系統效率仍可被接受。 

圖6顯示了全橋配置的充電和放電模式的波形。充電模式圖顯示零電壓導通，低電流關斷，高效率運行。低過衝開關電壓，有助於消除EMI問題。

轉換器的效率與逆變器參考設計相似，在大多數負載上的峰值效率為98.5%。藉由調變直流鏈電壓，使其效率保持在97%以上。於低的電池電壓時，控制模式將進入半橋模式切換，其將影響充電效率和功率傳輸能力。一般來說，SiC MOSFET加上多樣化的控制方案可以實現高效率（>98.5%的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L），支援單相AC和三相AC輸入的雙向充電。與矽Si相比，由於柵極驅動器的簡單性、熱管理元件、減少的元件數量和更小的磁性元件，它實現了更高的效率和功率密度，進而成本得以明顯降低。 

總結Wolfspeed SiC的優勢 

碳化矽元件使得如今的工業獲得極大發展，主要得益於其熱性能、更快的開關和更低的損耗。由於導通電阻對溫度的依賴性較低，MOSFET在較高溫度下的導通損耗較低，並能實現高頻開關。此外，高性能體二極體允許高可靠性的諧振轉換器應用，而較小的等效輸出電容使LLC轉換器實現零電壓導通變得容易。 

圖7顯示了SiC對比矽Si元件（額定650V）在尺寸/重量上的獨特優勢。通常，矽元件需要一變壓器和諧振電感，而SiC配置可以使用集成式變壓器/電感，進而節省了重量和空間。

在效率方面，半載的峰值效率為98.5%（如前面示例所示），但在輸入範圍的最大負載時，峰值效率仍大於97.5%。Wolfspeed SiC元件系列適用於所有功率範圍，範圍從1千瓦到兆瓦不等，也可用於大功率模組。Wolfspeed系列有低功率級別的離散式解決方案、中功率級別的WolfPACK模組和高功率級別的大功率模組解決方案，設計人員可以在降低系統成本和優化尺寸/佈局的同時，選擇多種不同的拓撲以符合系統需求。功率模組將最大限度地提高功率密度，簡化佈局和配置（符合工業標準的封裝），支援高功率系統的可擴展性，並在較低的勞力和元件成本下確保系統最高的效率和可靠性。 

Wolfspeed提供了多種拓撲的參考設計和評估工具，如AC/DC功率因數校正、降壓型/升壓型DC/DC、高頻DC/DC和雙向AC/DC、DC/DC和DC/AC。SpeedFit模擬器有助於模擬系統電路的特徵，並且為多個通用拓撲電路建模，並為您的系統應用選擇合適的SiC元件。 

無論是使用離散式開關元件或是大功率模組，從住宅到工業的儲能應用，SiC都顯示出了巨大的商機，Wolfspeed的產品組合可以確保低成本、小空間的同時，實現最靈活、可擴展、高性能的設計。