先進(jìn)碳化硅技術(shù),有效助力儲能系統

發(fā)布時(shí)間:2022-10-17 11:00    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: 碳化硅 , 儲能系統 , SiC
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。
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