CREE | WOLFSPEED, GUY MOXEY
重要的可再生能源解決方案，例如風能和太陽能，經常會與儲能相匹配。儲能是業界增長最為快速的領域之一。寬禁帶 SiC 技術則是這類解決方案的核心。終端系統設計者已經開發出 SiC 功率半導體解決方案，與 Si 方案相比，可實現更高效、更小型和更具成本效益。SiC 器件在應對電網級電壓時，具有更為顯著的高可靠性，并提供出類拔萃的性能。
在可再生能源系統中 SiC 器件 vs Si 器件
Wolfspeed 在 SiC 領域已深耕 30 多年，對其有著廣泛的研究，并且開發出豐富的寬禁帶 SiC 器件產品組合，適合所有重視效率、功率密度和總體系統成本的功率應用。
圖1. Wolfspeed SiC 賦能光伏 DC/DC 和 DC/AC 功率轉換
在光伏和儲能等可再生能源領域的硬件設計人員，已經利用 SiC 取得不錯的成果。SiC 實現了高頻率開關且不損失效率。簡而言之，這意味著更小尺寸的電路磁性元件以及溫度范圍內更為平緩的導通電阻 RDS(on)。而這些將帶來在真實工作條件下更低的導通損耗。不論是光伏板的升壓功率，或者是返回電網的逆變功率，SiC 都是顯而易見的優異選擇。因為 SiC 能為設計帶來功率密度提升、系統尺寸減小、系統重量減輕以及平衡系統成本。
Wolfspeed SiC 對于設計所產生的真實影響
現在，SiC 已經被驗證可比傳統采用 Si 的方案更有效率。組串式光伏系統在一系列光伏板和連接到電網的逆變器之間采用最大功率點追蹤 (MPPT)。MPPT 在本質上是升壓轉換器對于系統設計性能的效率和功率密度是至關重要的。在以前的設計之中，升壓轉換器可能是基于 IGBT 的，其器件開關在 15–30 kHz，效率范圍在~97%。
通過在相同升壓電路中采用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二極管，系統層面效率現在可以達到最高 99.5%，且總體 MPPT 尺寸和成本都有顯著改進（圖2）。
圖2. 采用 IGBT 的 50-kW MPPT 升壓器（左）和采用Wolfspeed SiC 的 60-kW MPPT 升壓器（右）的物理尺寸對比
采用 Wolfspeed SiC 的設計更為簡潔：借助 SiC MOSFET 提高了開關頻率以及 SiC 升壓二極管的接近零反向恢復的特性。這將幫助實現最低的電路損耗，以及盡可能地減小尺寸，因為也會帶來升壓電感器、電容器和冷卻系統的成本降低。
性能對比
為什么提高開關頻率會帶來如此重要的影響？因為通過采用 Wolfspeed SiC 器件，與 IGBT 方案相比，系統可以在 3 倍至 4 倍的開關頻率下工作，同時提高總體效率。
圖 3 展示了 Si IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 器件開關頻率的逐項比較，以及相關的對于升壓器被動元件和冷卻設計的系統層面影響。可以清楚地看到原本大尺寸且高成本的升壓電感器、電容器和散熱器可以被盡可能地最小化，隨著 SiC MOSFET 開關頻率提高至 60 kHz 及以上。
圖3. SiC 開關頻率影響
在圖 4 可以看到提高開關頻率對于升壓電感器價值和尺寸所產生的實際影響。升壓器尺寸可以減小到 16-kHz IGBT 方案的一半，且成本可以減少近40%。
圖4. 采用 IGBT 和 SiC MOSFET (SiC MOSFET = 47 kHz, 140 µH) 的升壓傳感器對比
小結
Wolfspeed SiC 現在可以賦能多種不同的應用，因為 SiC 基方案已經被證明可以比Si基方案實現更高效率、功率密度和系統成本效益。設計人員可以憑借 SiC MOSFET 的更高開關速度、更低導通損耗，來減小電路磁性元件和其他被動元件的尺寸和成本，從而實現顯著的功率密度提升，且不需要在效率和成本之間權衡妥協。
備注：以上所列所有數字都是概略估算，會根據應用而有所變化。
