綠色環(huán)保意識和法規(guī)在推動電動汽車市場發(fā)展，它們助力電池技術和基于碳化硅（SiC）器件設計不斷創(chuàng)新，從而促進綠色能源發(fā)電的轉型。
現(xiàn)在，擴大可再生能源的需求至關重要。日益變化的氣候問題，化石燃料供應鏈問題以及長期有限化石燃料資源難以滿足日益增長的能源需求，這些因素都使天平向區(qū)域性綠色能源傾斜。
大幅提高可再生能源（尤其是太陽能和風能）的投資回報率（ROI），意味著需要提升儲能系統(tǒng)（ESS）的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不斷增長的電動汽車（EV）市場加快了電池技術和 SiC 器件的創(chuàng)新步伐，現(xiàn)在可以使用基于 SiC 器件的解決方案來幫助實現(xiàn)所有這些目標。
太陽能光伏的成功
國際能源署（IEA）估計，2022 年可再生能源產能將增加 8%，突破 300 GW。[1] 據該機構稱，引領可再生能源復興的是太陽能光伏發(fā)電，它將占全球可再生能源產能增長的 60%。這種增長的背后有如下幾個原因：
1、太陽能電池板和相關的電子器件變得更加高效，同時相對于化石燃料還實現(xiàn)了更低的成本，其發(fā)展步伐比風能和水力發(fā)電都更快。全球各國政府正通過商業(yè)激勵和法規(guī)支持，在此基礎上進一步推動發(fā)展。
2、氣候變化加劇惡化了風能和太陽能發(fā)電的間歇性特征[2]，而采用儲能系統(tǒng)可以緩解這一問題。電池技術的改進帶來了容量的擴充和成本的降低，而基于 SiC 器件的設計使這些系統(tǒng)更加高效。
3、太陽能光伏的一個關鍵優(yōu)勢在于其廣泛的可擴展性，從住宅應用的幾千瓦到公用事業(yè)規(guī)模的數兆瓦太陽能發(fā)電站，各種場合均可采用。與高功率和昂貴的公用事業(yè)規(guī)模投資中最為可行的風能和水力發(fā)電不同的是，太陽能適合多種系統(tǒng)配置。
太陽能面板至儲能系統(tǒng)概述
太陽能架構通常分為三種使用場景。戶用光伏使用微逆變器支持 1 到 4 個面板組合，使用組串式逆變器將面板集群從幾千瓦聚集到約 50 kW。工商業(yè)光伏使用從 50 kW 到 200 kW 的組串式逆變器集成到一起，為商業(yè)和工業(yè)提供服務。兆瓦規(guī)模的公用事業(yè)光伏安裝使用了大型集中式系統(tǒng)，但現(xiàn)在經常會選擇基于分布式的組串型拓撲結構，以減少安裝時間和成本，同時減少點故障的影響和整體維護成本。
最大功率點跟蹤器（MPPT）是一種直流-直流（DC-DC）升壓電路，從面板陣列獲取變化的電壓，并向內部總線供應更高的恒定電壓（圖 1）。然后，逆變器將更穩(wěn)定的直流電轉換為電網的標準交流電。在儲能系統(tǒng)實施中，一個雙向 DC-DC 降壓-升壓（Buck-Boost）電路充當電池充電機。如果儲能系統(tǒng)需要從電網充電，逆變器也需要是雙向的。
圖 1：太陽能面板至電網系統(tǒng)概述
Source：Wolfspeed
SiC 技術提升
SiC 適用于從較低的 1 kW 到超過 1 MW 的升壓式 MPPT 控制器、雙向逆變器（Bi-directional inverter）和有源前端（AFE），以及儲能系統(tǒng)充電/放電電路中的雙向 DC-DC 等部分的拓撲結構。與硅相比，它具有諸多優(yōu)勢：
在大多數應用中的開關頻率提高至 3 倍
系統(tǒng)效率提高約 2% 并且損耗降低約 40%
高達 50% 的功率密度（體積為其1/3，重量為其1/10）
更小的無源器件和散熱器體積
降低系統(tǒng) BOM 總成本
盡管 SiC 肖特基二極管長期以來被用于 MPPT 升壓電路以提高效率，然而現(xiàn)在更廣泛的采用全 SiC MOSFET 方案來實現(xiàn)。例如，Wolfspeed CRD-60DD12N 15 kW × 4 通道升壓轉換器參考設計提供 99.5% 的能源效率和 78 kHz 的開關能力。與硅相比，這種設計的能量效率提高了 1% – 2%，損耗減少了約 70%，功率密度提高至 3 倍，重量減輕為 1/10。所有這些性能都以更低的系統(tǒng)實施成本實現(xiàn)。
SiC 會對 AFE 部分帶來類似的影響。六開關硅 IGBT 實施的成本相對較低，并且簡單易用，因此得到了廣泛使用（圖 2）。然而，其開關頻率限制在最高約 20 kHz，并且其頻率在高功率水平下會大幅降低。雖然通過使用硅超結（SJ）器件的多級拓撲結構，設計師能夠通過高頻開關和良好系統(tǒng)效率實現(xiàn)所需的高電壓電平，但代價是控制更為復雜，同時更多的開關以及相關的器件驅動器會導致器件數量和 BOM 成本大幅增加。Wolfspeed CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 參考設計證明了這一點。
圖 2：SiC 使得 AFE 設計更為簡單高效，同時成本更低
Source：Wolfspeed
在 ESS 領域，電動汽車市場已經對電池儲能趨勢造成了影響，使電池組的使用電壓從 200 V 上升到 800 – 1000 V。這些高電壓工況要求在雙向 DC-DC 轉換器中使用耐高壓器件。設計人員經常在復雜的多電平諧振拓撲中使用常見的 650 V SJ 器件，但是在其拓撲中硅的開關頻率限制在 80 kHz 到 120 kHz 之間。取而代之的是，例如 CRD-22DD12N 22 kW 雙向 DC-DC 充電機等簡化拓撲的全 SiC 方案可以實現(xiàn)約 200 kHz 的諧振頻率，且器件數量更少，總體系統(tǒng)成本更低。
將基于 SiC 的雙向 AFE 和 DC-DC 充電機結合在一起，可以帶來以下幾個系統(tǒng)級優(yōu)勢：
能耗降低 40%，從而實現(xiàn)
更低的系統(tǒng)溫度，更高的系統(tǒng)可靠性和使用壽命
更小的散熱器，甚至有可能消除主動冷卻
系統(tǒng)級效率提高 2%
功率密度提高 50%
系統(tǒng)成本降低 18%
大功率 SiC 助力打造未來
基于 SiC 的系統(tǒng)可以支持幾個近期的關鍵趨勢。太陽能產業(yè)正朝著 1500 V 總線的方向發(fā)展，這需要 2 kV 器件或復雜的多級拓撲結構。在集中式逆變器領域，需要 2 kV 或更高電壓的中高壓器件和功率模塊。
在當今的集中式逆變器中 SiC 將提供單極開關，而不是雙極開關，這可以實現(xiàn)相同的效率，并且具有重量、尺寸和成本優(yōu)勢。這項新的技術還將影響全新的領域，包括電力電子變壓器、風力發(fā)電和軌道交通。
雖然當前有各種各樣的 SiC 分立器件和功率模塊可以滿足現(xiàn)有需求，但 Wolfspeed 仍堅持其投資研發(fā)的傳統(tǒng)，將新產品推向市場，以更好地滿足未來的需求。（文：Wolfspeed）
參考資料：
IEA, Renewable Energy Market Update – May 2022 (https://www.iea.org/reports/renewable-energy-market-update-may-2022)
euronews.green, Powering up wind energy in a world of climate variability (https://www.euronews.com/green/2022/05/25/powering-up-wind-energy-in-a-world-of-climate-variability)
英文原稿：https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-pulls-green-alternatives-into-virtuous-cycle/
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