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SiC 赋能光伏与可再生能源功率转换

SiC赋能光伏与可再生能源功率转换

CREE | WOLFSPEED, GUY MOXEY


重要的可再生能源解决方案,例如风能和太阳能,经常会与储能相匹配。储能是业界增长最为快速的领域之一。宽禁带 SiC 技术则是这类解决方案的核心。终端系统设计者已经开发出 SiC 功率半导体解决方案,与 Si 方案相比,可实现更高效、更小型和更具成本效益。SiC 器件在应对电网级电压时,具有更为显著的高可靠性,并提供出类拔萃的性能。


在可再生能源系统中 SiC 器件 vs Si 器件

Wolfspeed 在 SiC 领域已深耕 30 多年,对其有着广泛的研究,并且开发出丰富的宽禁带 SiC 器件产品组合,适合所有重视效率、功率密度和总体系统成本的功率应用。

SiC赋能光伏与可再生能源功率转换

图1. Wolfspeed SiC 赋能光伏 DC/DC 和 DC/AC 功率转换


在光伏和储能等可再生能源领域的硬件设计人员,已经利用 SiC 取得不错的成果。SiC 实现了高频率开关且不损失效率。简而言之,这意味着更小尺寸的电路磁性元件以及温度范围内更为平缓的导通电阻 RDS(on)。而这些将带来在真实工作条件下更低的导通损耗。不论是光伏板的升压功率,或者是返回电网的逆变功率,SiC 都是显而易见的优异选择。因为 SiC 能为设计带来功率密度提升、系统尺寸减小、系统重量减轻以及平衡系统成本。


Wolfspeed SiC 对于设计所产生的真实影响

现在,SiC 已经被验证可比传统采用 Si 的方案更有效率。组串式光伏系统在一系列光伏板和连接到电网的逆变器之间采用最大功率点追踪 (MPPT)。MPPT 在本质上是升压转换器对于系统设计性能的效率和功率密度是至关重要的。在以前的设计之中,升压转换器可能是基于 IGBT 的,其器件开关在 15–30 kHz,效率范围在~97%。


通过在相同升压电路中采用 Wolfspeed C3M MOSFET 和 C4D 二极管,系统层面效率现在可以达到最高 99.5%,且总体 MPPT 尺寸和成本都有显著改进(图2)。

SiC赋能光伏与可再生能源功率转换

图2. 采用 IGBT 的 50-kW MPPT 升压器(左)和采用Wolfspeed SiC 的 60-kW MPPT 升压器(右)的物理尺寸对比


采用 Wolfspeed SiC 的设计更为简洁:借助 SiC MOSFET 提高了开关频率以及 SiC 升压二极管的接近零反向恢复的特性。这将帮助实现最低的电路损耗,以及尽可能地减小尺寸,因为也会带来升压电感器、电容器和冷却系统的成本降低。


性能对比

为什么提高开关频率会带来如此重要的影响?因为通过采用 Wolfspeed SiC 器件,与 IGBT 方案相比,系统可以在 3 倍至 4 倍的开关频率下工作,同时提高总体效率。


图 3 展示了 Si IGBT 和 Wolfspeed SiC MOSFET 器件开关频率的逐项比较,以及相关的对于升压器被动元件和冷却设计的系统层面影响。可以清楚地看到原本大尺寸且高成本的升压电感器、电容器和散热器可以被尽可能地最小化,随着 SiC MOSFET 开关频率提高至 60 kHz 及以上。

SiC赋能光伏与可再生能源功率转换

图3. SiC 开关频率影响


在图 4 可以看到提高开关频率对于升压电感器价值和尺寸所产生的实际影响。升压器尺寸可以减小到 16-kHz IGBT 方案的一半,且成本可以减少近40%。

SiC赋能光伏与可再生能源功率转换

图4. 采用 IGBT 和 SiC MOSFET (SiC MOSFET = 47 kHz, 140 μH) 的升压传感器对比


小结

Wolfspeed SiC 现在可以赋能多种不同的应用,因为 SiC 基方案已经被证明可以比Si基方案实现更高效率、功率密度和系统成本效益。设计人员可以凭借 SiC MOSFET 的更高开关速度、更低导通损耗,来减小电路磁性元件和其他被动元件的尺寸和成本,从而实现显著的功率密度提升,且不需要在效率和成本之间权衡妥协。


备注:以上所列所有数字都是概略估算,会根据应用而有所变化。


关于英文原稿,敬请点击【阅读原文】,或访问:

https://www.powerelectronicsnews.com/enabling-solar-and-renewable-energy-power-conversion-with-sic/


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