從太陽能到汽車： SiC 推動實現(xiàn)可再生的未來

隨著世界朝著更加綠色的可持續(xù)未來邁進，許多國家/地區(qū)正在減少化石燃料能源發(fā)電，轉而使用可再生能源。

2010 年至 2020 年，新型公用事業(yè)規(guī)模太陽能光伏 (PV) 項目的全球加權發(fā)電成本下降了 85%，陸上風電和海上風電的全球加權發(fā)電成本分別下降了 56% 和 48%。

因此，可再生能源成為了幾乎所有國家/地區(qū)增加能源產(chǎn)能的典型途徑。

2010 年至 2020 年，累計光伏裝機（含離網(wǎng)）的復合年增長率 (CAGR) 達到 34%。

隨著能源效率提升的步伐不斷加快，這種增長勢頭還將繼續(xù)。國際可再生能源機構（IRENA）的一份報告明確指出，如果要將全球變暖限制在 1.5°C 以內，每年需要削減 36.9 Gt 的二氧化碳排放，并建議在 2050 年前，設定每年分別新增 444 GW 和 248 GW 太陽能光伏和風能發(fā)電的目標。

IRENA 估計，可再生能源和能源效率的顯著提高均可為實現(xiàn)目標減排做出不低于 25% 的貢獻，而另外的 20% 則可通過交通工具等應用的電氣化來實現(xiàn)。

雖然新型風力渦輪機設計和鈣鈦礦型太陽能電池的研究正在推進能源轉換效率到達極限，但聯(lián)接可再生能源從發(fā)電到使用環(huán)節(jié)的功率半導體元件已經(jīng)不再是利用太陽能驅動汽車的薄弱環(huán)節(jié)。

在能源互聯(lián)、分配和儲存系統(tǒng)中，只需用碳化硅（SiC）取代傳統(tǒng)的半導體技術，便可在尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）方面獲得巨大優(yōu)勢。

#1

電力電子轉換環(huán)節(jié)中的高效率

對于 5-15 kW 住宅單相和 30-100 kW 商業(yè)三相架構而言，太陽能電池板陣列可用于增加電壓和減少連接與電纜的 I2R 損耗。通常，光伏陣列電壓被提升到為儲能系統(tǒng)（ESS）充電的穩(wěn)壓直流電壓，這有助于克服太陽能發(fā)電中常見的功率波動。穩(wěn)壓直流電壓供給逆變器進行 DC-AC 轉換，而最大功率點跟蹤（MPPT）控制器可優(yōu)化太陽能電池板上的負載，從而獲得最高的能源效率。

Wolfspeed 可提供適合該電力電子轉換環(huán)節(jié)中每一個轉換單元的 SiC 器件，可以滿足住宅、輕型商業(yè)和公用事業(yè)規(guī)模應用所需的功率等級。Wolfspeed 的技術可幫助設計人員以更低的系統(tǒng)成本實現(xiàn)更高的系統(tǒng)級效率和功率密度，而所有這些都是驅動可再生能源市場的主要因素（圖 1）。

DC-DC 升壓：DC-DC 電路單元用于將變化的光伏電池板電壓升高到穩(wěn)定直流電壓。設計人員通過把該單元的主串式逆變器中原來使用的硅基二極管和 MOSFET 替換成 Wolfspeed 的 SiC 模塊，使系統(tǒng)尺寸縮減 70%，系統(tǒng)效率提高 1%，同時系統(tǒng)總成本降低 30%。這是由于 SiC 模塊的使用提高了系統(tǒng)的開關頻率，從而縮小了功率電感、電容、濾波器和變壓器的尺寸，進而降低了系統(tǒng)總成本。

儲能系統(tǒng)：儲能系統(tǒng)應用為在住宅、工業(yè)等應用中采用 SiC 提供了巨大機會，填補了 Si 在 DC-DC 升壓 / MPPT、雙向有源前端（AFE）和直流電池充電機中留下的系統(tǒng)需求空白。 Wolfspeed 對 SiC 解決方案開展的測試表明，通過使用 SiC，系統(tǒng)效率可提高近 3%，功率密度最多可提高 50%，并可顯著縮減無源元件體積，大幅降低無源 BOM 成本。

▲ 圖 1：Wolfspeed 提供適合該電力電子轉換環(huán)節(jié)中每個轉換 單元的 SiC 器件，包括 DC-DC 升壓型器件、快速充電機等， 助力實現(xiàn)從太陽能到汽車的應用

3.3 kV 至 20+ kV（中高壓）SiC MOSFET 模塊開辟了多個現(xiàn)有和新興的應用領域，包括并網(wǎng)逆變器、超級充電機和電機牽引。

并網(wǎng)逆變器：此類逆變器利用中高壓 SiC 器件可將太陽能發(fā)電廠直接連接到電網(wǎng)，從而從電力電子變換環(huán)節(jié)中消除了沉重、昂貴且有較大損耗的變壓器。這降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運營和選址成本。

例如，2 MVA 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)包括工作頻率為 40 kHz 的 Wolfspeed 1700 V SiC 半橋模塊、一個工作頻率為 40 kHz 的較小體積的中頻變壓器，以及工作頻率為 10 kHz 的 Wolfspeed 10 kV SiC 模塊。如果不包括變壓器，其重量不到 1,000 磅，CEC 效率可達到 98% 以上。

直流快速充電：傳統(tǒng)快速充電機通常使用低頻變壓器，這會將整個系統(tǒng)的重量增加幾千磅。一個 500 kVA 的傳統(tǒng)充電機系統(tǒng)容量為 5,190 升、重量為 3,537 kg、功率損耗 >28 kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5 kV SiC 和 >20 kHz 固態(tài)變壓器（SST）的現(xiàn)代 500 kVA 快速充電機系統(tǒng)容量 1,298 升、重量 530 kg、功率損耗不超過 11.25 kW。因此，基于 SiC 的直流快速充電機用時不到 4 分鐘便可充滿電，且該系統(tǒng)尺寸比原傳統(tǒng)充電機尺寸縮小超過 75%，重量減輕 85% 以上，損耗減少超過 60%，成本降低 40% 以上。

牽引和交通：中高壓 SiC 模塊可將交通工具的年油耗降低 1-4%，并可在重型設備的驅動系統(tǒng)、冷卻和布線方面節(jié)省大量成本。

#2

額定值可滿足廣泛的應用范圍

Wolfspeed 提供可覆蓋行業(yè)最廣泛應用功率范圍的 SiC 分立器件和模塊（圖 2）。Wolfspeed 的中高壓解決方案（額定值從 LM3 模塊的 3.3 kV 到 MM3 模塊的 6.5 kV 和 XHV-9 模塊的 10 kV 不等）可解決上述應用中寬范圍的電壓、電流和隔離要求。

▲ 圖 2：Wolfspeed SiC 產(chǎn)品組合為可再生能源應用 提供功率可擴展性（覆蓋 2 kW 以下到兆瓦級的范圍）

審核編輯：劉清