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人們普遍認識到，碳化硅（SiC）現在作為一種成熟的技術(shù)，在從瓦特到兆瓦功率范圍的很多應用中改變了電力行業(yè)，覆蓋工業(yè)、能源和汽車(chē)等眾多領(lǐng)域。這主要是由于它比以前的硅（Si）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的應用具有更多優(yōu)勢，包括更高的開(kāi)關(guān)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(jìn)而可以實(shí)現更高的功率密度，可靠性和效率。得益于更低的溫度和更小的磁性元件，熱管理和電源組件現在尺寸更小，重量更輕，成本更低，從而降低了總BOM成本，同時(shí)也實(shí)現了更小的占用空間。 用于儲能系統的 Wolfspeed 碳化硅 碳化硅已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)，并成為需要電力傳輸系統的一種非常常見(jiàn)的解決方案，特別是在儲能應用中，如電動(dòng)汽車(chē)充電和附加電池的太陽(yáng)能系統。這些系統一般包含幾個(gè)應用SiC技術(shù)的器件，如DC/DC升壓轉換器，雙向逆變器（交流電和直流電互相轉換），和靈活的電池充電電路。簡(jiǎn)而言之，碳化硅使系統效率提高了3%，功率密度提高了50%，并減少了無(wú)源元件的體積和成本。 大多數儲能系統（ESS）都有多個(gè)能源轉換步驟，可以從SiC器件中獲益。Wolfspeed提供幾種封裝的器件，如肖特基二極管/ MOSFET（具有高達100A額定電流封裝/196-A裸模封裝）和WolfPACK系列器件中所使用的具有高達450A額定電流的功率模塊。無(wú)論是單相家用系統（5-15 kW）還是三相商用系統（30-100 kW），其架構和電源電路拓撲基本相似;但是它們可以根據功率級別進(jìn)行調整。 圖1為一個(gè)典型的ESS架構，包含了電源（光伏或PV，值得注意的是，這個(gè)應用可以使用任何替代能源替換），DC/DC轉換器，電池充電機，把能量輸送到家庭端或輸送回電網(wǎng)的逆變器。這種配置下的三個(gè)電源模塊中，SiC可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。 
圖1: 家用或商用的ESS配置 SiC在ESS電源模塊中的優(yōu)勢 如上所示，當對收集到的能源進(jìn)行轉換并將其用于存儲或為住宅/建筑供電時(shí)，涉及到幾個(gè)能源轉換步驟。DC/DC轉換通常由一個(gè)用于光伏應用的升壓變換器實(shí)現，這時(shí)更高的系統效率和功率密度會(huì )發(fā)揮更大作用。與Si等傳統技術(shù)相比，SiC技術(shù)的獨特優(yōu)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為基于碳化硅的60kW交錯升壓變換器（來(lái)自Wolfspeed參考設計CRD-60DD12N）的示例，其中包含幾個(gè)SiC MOSFET和二極管。四路交錯并聯(lián)幫助調節輸出功率高達60kW，同時(shí)在輸出850VDC時(shí)保持99.5%的效率。該設計包含兩個(gè)C3M0075120K MOSFET（帶開(kāi)爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每路拓撲有兩個(gè)C4D10120D二極管和一個(gè)CGD15SGOOD2隔離式柵極驅動(dòng)器。
圖2: 基于碳化硅的60 kW交錯升壓變換器的參考設計 在上圖的參考設計中，對不同開(kāi)關(guān)頻率下的BOM成本進(jìn)行了分析/對比。在更高的頻率下（100kHz相對于60kHz），得益于更小、更輕的組件/磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統可能會(huì )由于更高的運行溫度而增加一些成本。但總的來(lái)說(shuō)，更高的頻率通常意味著(zhù)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(jià)格提供更好的性能。 另一個(gè)Wolfspeed參考設計（圖3）突出了SiC在逆變器和DC/DC充電電路中的優(yōu)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于98.5%。變換器部分包括一個(gè)簡(jiǎn)單兩電平AC/DC變換器，兼容單相和三相連接，并且只有6個(gè)SiCMOSFET。這種應用不像大多數的IGBT轉換器那樣成本低廉，但會(huì )在效率和損耗方面表現得更好。雖然T型AC/DC變換器提供了相似的開(kāi)關(guān)頻率和效率，但它往往擁有復雜的控制系統和更多數量的部件與較低的功率密度。
圖3: 應用碳化硅MOSFET的簡(jiǎn)單兩電平逆變器/AFE 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。受電熱應力的影響，Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET是非常合適的，因為它具有一流的品質(zhì)因數、易于控制和Vgs驅動(dòng)特性、開(kāi)爾文源極封裝等優(yōu)點(diǎn)，可以減少開(kāi)關(guān)損耗和串擾等問(wèn)題。 這種拓撲結構適合于可實(shí)現不同功能的先進(jìn)數控方案，如單相交錯PFC方案或基于DQ變換的三相空間矢量PWM方案，這些方案可以達成所有器件開(kāi)關(guān)損耗的平衡，進(jìn)而形成一個(gè)非常靈活的參考平臺。利用PWM控制開(kāi)關(guān)有助于檢測和功耗平衡，同時(shí)優(yōu)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范圍時(shí)，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平下充電和放電的AFE的兩組圖表。
圖4: 在多個(gè)功率級別下充電（左）和放電（右）模式的AFE效率 三相充電實(shí)現了相同的峰值效率，同時(shí)在系統和設備限制下熱性能也運行良好。盡管T型拓撲也可以達到類(lèi)似的性能，但它通常更復雜，成本更高。 對22kW逆變器/AFE配置總結一下，C3M0032120K SiC MOSTET和靈活的控制方案可以實(shí)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，支持來(lái)自三相AC和單相AC輸入，也支持輸出200-800 VDC的電池電壓范圍。 SiC在DC/DC電池充電電路中的優(yōu)勢 很多拓撲支持隔離型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，可配置在級聯(lián)變換器或單個(gè)兩級變換器。級聯(lián)變換器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件，但通常會(huì )需要更多數量的部件，更高的導通損耗，更復雜的控制，以及更高的系統成本。使用SiC器件的單級兩電平變換器可在更高的電壓（1200 V）和高達200 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作。SiC基的最大優(yōu)勢是更高的效率/更低的損耗，并具有一些額外的特性，如零電壓導通、低電流關(guān)斷和更低的電磁干擾EMI風(fēng)險。這種拓撲結構比級聯(lián)變換器的部件數更少，有助于降低系統成本，提供更簡(jiǎn)單的控制。圖5展示了這兩種拓撲的差異。
圖5: 22kW全橋CLLC DC/DC變換器-級聯(lián)（左）和單級兩電平（右） 當考慮22kW設計的功率元件時(shí)，再次證明了C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET提供了最佳的電應力和熱特性來(lái)配適轉換器。此外，它的Vgs可以支持15V，使之更易驅動(dòng)�？勺冎绷麈溌冯妷嚎刂疲ɑ诟兄碾姵仉妷海┦瓜到y效率達到最佳，并確保CLLC運行接近諧振頻率。當電池電壓較低時(shí)，控制切換到相移模式，這樣就降低了增益，防止在諧振頻率范圍外低效地運行。這意味著(zhù)使用相同的硬件也可以在較低的輸出電壓下實(shí)現類(lèi)似的高效率。如果需要更低的電池電壓，CLLC原邊可以作為半橋運行，這進(jìn)一步降低了增益，但保持了效率區。由于運行成本較低，熱設計不那么嚴格，這種低效率仍然可以接受。 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(guān)斷，運行效率高。波形也非常干凈，有低過(guò)沖開(kāi)關(guān)，有助于消除EMI問(wèn)題。
圖6: 22kW SiC DC/DC變換器的充放電模式 轉換器的效率值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%。在設計采用半橋模式之前，可變直流鏈路電壓和最終效率都保持在97%以上，這限制了充電時(shí)的效率和功率傳輸能力。一般來(lái)說(shuō)，SiC MOSFET加上靈活的控制方案可以實(shí)現高效率（>98.5%的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L），支持單相AC和三相AC輸入的雙向充電。與硅Si相比，由于柵極驅動(dòng)器的簡(jiǎn)單性、熱管理組件、減少的部件數量和更小的磁性元件，它實(shí)現了更高的效率和功率密度，進(jìn)而成本得以明顯降低。 總結Wolfspeed SiC的優(yōu)勢 碳化硅器件使得如今的工業(yè)獲得極大發(fā)展，主要得益于其熱性能、更快的開(kāi)關(guān)和更低的損耗。由于導通電阻對溫度的依賴(lài)性較低，MOSFET在較高溫度下的導通損耗較低，并能實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)。此外，高性能體二極管允許高可靠性的諧振變換器應用，而較小的輸出電容使LLC變換器實(shí)現零電壓導通變得容易。 圖7顯示了SiC對比硅Si器件（額定650V）在尺寸/重量上的獨特優(yōu)勢。通常，硅器件需要一個(gè)變壓器和諧振電感，而SiC配置可以不用集成變壓器/電感，節省了重量和空間。
圖7: SiC和Si在尺寸和重量上的對比 在效率方面，中等負載的峰值為98.5%（如前面示例所示），但在輸入范圍的最大負載時(shí)，峰值大于97.5%。Wolfspeed SiC器件系列適應于應用的所有功率范圍，范圍從1千瓦到兆瓦不等，也可用于大功率模塊。Wolfspeed系列有低端的分立式解決方案、中功率級別的WolfPACK模塊和高端的大功率模塊解決方案，設計人員可以在降低BOM成本和優(yōu)化物理尺寸/布局的同時(shí)，選擇多種拓撲和源流。功率模塊將最大限度地提高功率密度，簡(jiǎn)化布局和配件（符合行業(yè)標準的占用空間），支持高功率系統的可擴展性，并在較低的勞力和元件成本下確保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包，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工具包。SpeedFit設計模擬器有助于描述系統級電路的特征，為通用拓撲建模，并為你的電子應用選擇合適的SiC器件。 無(wú)論是使用分立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業(yè)的儲能應用，SiC都顯示出了巨大的商機，Wolfspeed的組合/資源可以在確保低成本、小空間的同時(shí)實(shí)現最靈活、可擴展、高性能的設計。 |
