太阳能

Wolfspeed SiC 助力实现太阳能基础设施转型

Zan Huang

Jan 04, 2024

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如今，世界各地的人们越来越多地尽可能选择可再生能源。各类消费者和大大小小的企业都将太阳能视为一种可行、清洁、便利的能源形式。无论是安装在空间紧凑的住宅屋顶，还是安装在商业楼宇之上，利用光伏板收集太阳能都可谓一种可扩展的可再生方法。

高效功率转换的重要意义

收集太阳能并将其转换成标准的交流电网电压涉及多级转换，而每级转换都会遭受一些损耗。能量转换损耗表现的形式多种多样（如废热和电压降低），但无论何种形式，都会共同导致转换效率低下，造成得到的比投入的要少。

损耗、半导体导通损耗以及发生在相关无源元件中的损耗。通常，能量损耗致使产生热量，这些热量需要借助散热器或强制风冷装置予以消散，而这会增加额外的重量和成本，并会扩大整体的占用空间。此外，在高温下操作电子元件会降低系统的可靠性，进而导致代价不菲的停机时间和潜在的收入损失

在这一领域，硅基半导体从一开始就占据了主导地位，但对更紧凑、更高效、更低成本功率转换的需求推动了对新型半导体技术的研究。与硅相比，碳化硅 (SiC) 等宽禁带材料可在更高开关频率及更高电压下工作，并且具有更宽泛的工作温度范围，可实现体积更小、更紧凑的设计，并可提高系统级的功率密度。

太阳能逆变器使用案例比较

在太阳能和储能系统所用的逆变器中，硅基绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 历来都被用作大功率开关晶体管。但 Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V SiC MOSFET 以及相关的 SiC 二极管可提供显著优势，包括将系统损耗降低 70%、将重量减轻 80%（对于 60 kW 逆变器）、将系统成本削减高达 15%。此外，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 具有在温度范围内业界领先的 Rds(on) 特性，以及与硅基同类产品相比，降低 30%的峰值反向恢复电流。

图 1 显示的是 60 kW 太阳能逆变器和储能系统的高级架构。800 Vout MPPT 升压电路、400 VAC 三相逆变器和 400 V 电池充电器/储能系统 (ESS) 这三个功能级需要开关半导体。与 IGBT 相比，采用Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管相结合的方法，可使整体系统效率提高 3%，等效于降低70%的系统损耗。

Three illustrated topologies for a commercial 60kW solar inverter. The left hand, top section is outlined in light blue and labeled "Interleaved MPPT Boost" and the right hand, top side is outlined in teal and labeled "2 or 3 Level, 3-Phase Inverter". The bottom part of the image is outlined in purple and labeled "Non-isolated Bi-directional DC/DC Energy Storage". — *图 1 - 商用 60 kW 太阳能逆变器和储能系统的高级功能架构*

图 2 详细说明了每个级在效率、功率密度和功耗降低方面的获益。此例中，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的工作频率为 45kHz 或更高，相比之下，IGBT 的工作频率为 16 kHz。

*图 2 - Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和仅硅基方式在效率、功率密度和损耗方面的比较*

A three-column infographic showing product topologies and product detail tables. The left column is titled "2 x 30 kW boost" and the table summarizes itself as reading "84% Low Power Loss". The center column is titled "T Type inverter" and the table summarizes its data as "33% low power loss" — *图 2 - Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和仅硅基方式在效率、功率密度和损耗方面的比较*

与 IGBT 相比，Wolfspeed 的 SiC MOSFET（如图 2 中 30 kW 升压电路部分所使用的 C3M0040120K 1200 V 器件）可在高得多的开关频率下工作，使得可以使用体积更小的电感器和电容元件，从而进一步有助于减少逆变器的占用空间。作为 SiC MOSFET 的补充，Wolfspeed 的 SiC 二极管（例如 C4D30120H 1200 V 肖特基二极管）提供了高效的配对组合。与基于 IGBT 的装置相比，使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管设计的逆变器重量可减轻多达 80%。例如，一个 60 kW IGBT 逆变器重 173 kg（约 380.6 磅），而基于 Wolfspeed 碳化硅的逆变器重 33 kg（约 72.6 磅）。由于安装 IGBT 系统需要起重机和多名人员，因此，这种重量减轻可在装配过程中带来显著优势。重量减轻使得安装和调试 SiC 逆变器所需的人员更少，总体实施成本降低，装配过程的效率也大大提高。

图 3 - 利用 Wolfspeed SiC 解决方案设计重量可减轻多达 80% 的逆变器

A two column infographic titled "Design up to 80% Lighter Inverters with Silicon Carbide." On the left side there is a Wolfspeed — 图 3 - 利用 Wolfspeed SiC 解决方案设计重量可减轻多达 80% 的逆变器

将 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 用于三相 60 kW 太阳能逆变器所获得的益处，同样适用于户用太阳能装置使用的小型单相逆变器。对于户用逆变器，SiC 简化了逆变器的设计，而且得益于 Wolfspeed SiC MOSFET 的恢复损耗属性减少，损耗可降低 80% 以上。

图 4 显示的是单相 7 kW 户用逆变器的最大功率点跟踪 (MPPT) 升压转换器级和逆变器级。对于所有太阳能逆变器设计而言，升压功能都是一个关键方面，这是因为随着天气条件的变化，电池板的输入电压在白天会有很大变化。通过将逆变器的输入电压提升到一致的 400 V，系统可更高效地运行，逆变器也会提供可靠的 220 VAC 输出。Heric 拓扑逆变器采用四个 Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET，与采用 IGBT 器件相比，可将损耗降低 17%。升压功能采用 Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC 肖特基二极管。与其他硅二极管相比，Wolfspeed 二极管表现出零反向恢复特性，使得可进行超快速开关操作，并且具有在温度范围内的最低正向电压降特性，以及与温度无关的开关行为。

A two column infographic. The left column shows an MPT boost converter. Underneath is a table showing its details that culminates in a pullout quote that reads "58% lower power loss". The right column shows an inverter and a table showing its details that culminates in the pullout quote that reads "17% lower power loss". — 图 4 - 单相 7 kW 户用太阳能逆变器的 MPPT 升压级和逆变器级

为加快单相太阳能逆变器的开发，Wolfspeed 提供了一种 60 kW 升压转换器参考设计。CRD-60DD12N 参考设计包括原理图、PCB 布局和 BOM，并采用 Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 和 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 肖特基二极管。60 kW 设计可在高达 78 kHz 的开关频率下工作，峰值效率高达 99.5%。

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