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Renewable Energy

碳化硅技术助力绿色环保替代方案进入良性循环

Oct 03, 2022
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绿色环保意识和法规在推动电动汽车市场发展,它们助力电池技术和碳化硅(SiC)基器件设计不断创新,从而促进绿色能源发电的转型。

现在,扩大可再生能源的需求至关重要。日益变化的气候问题,化石燃料供应链问题以及长期有限化石燃料资源难以满足日益增长的能源需求,这些因素都使天平向区域性绿色能源倾斜。

大幅提高可再生能源(尤其是太阳能和风能)的投资回报率(ROI),意味着需要提升储能系统(ESS)的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不断增长的电动汽车(EV)市场加快了电池技术和SiC器件的创新步伐,现在可以使用基于SiC器件的解决方案来帮助实现所有这些目标。

太阳能光伏的成功

国际能源署(IEA)估计,2022 年可再生能源产能将增加 8%,突破 300 GW。[i]据该机构称,引领可再生能源复兴的是太阳能光伏发电,它将占全球可再生能源产能增长的 60%。这种增长的背后有如下几个原因

  1. 太阳能电池板和相关的电子器件变得更加高效,同时相对于化石燃料还实现了更低的成本,其发展步伐比风能和水力发电都更快。全球各国政府正通过商业激励和法规支持,在此基础上进一步推动发展。
  2. 气候变化加剧恶化了风能和太阳能发电的间歇性特征[ii],而采用 ESS 可以缓解这一问题。电池技术的改进带来了容量的扩充和成本的降低,而基于SiC器件的设计使这些系统更加高效。
  3. 太阳能光伏的一个关键优势在于其广泛的可扩展性,从住宅应用的几千瓦到公用事业规模的数兆瓦太阳能发电站,各种场合均可采用。与高功率和昂贵的公用事业规模投资中最为可行的风能和水力发电不同的是,太阳能适合多种系统配置。

面板至 ESS 系统概述

太阳能架构通常分为三种使用场景。户用光伏使用微逆变器支持 1 到 4 个面板组合,使用组串式逆变器将面板集群从几千瓦聚集到约 50 kW。工商业光伏使用从 50 kW 到 200 kW 的组串式逆变器集成到一起,为商业和工业提供服务。兆瓦规模的公用事业光伏安装使用了大型集中式系统,但现在经常会选择基于分布式的组串型拓扑结构,以减少安装时间和成本,同时减少点故障的影响和整体维护成本。

最大功率点跟踪器(MPPT)是一种直流-直流(DC-DC)升压电路,从面板阵列获取变化的电压,并向内部总线供应更高的恒定电压( 1)。然后,逆变器将更稳定的直流电转换为电网的标准交流电。在 ESS 实施中,一个双向DC-DC降压-升压(Buck-Boost)电路充当电池充电机。如果 ESS 需要从电网充电,逆变器也需要是双向的。

Illustrated infographic explaining how energy moves from a solar panel into the power grid, and then on into your home or business.
图 1:面板至电网系统概述

SiC 技术提升

SiC 适用于从较低的 1 kW 到超过 1 MW 的升压式MPPT 控制器、双向逆变器(Bi-directional inverter)和有源前端(AFE),以及 ESS 充电/放电电路中的双向DC-DC等部分的拓扑结构。与硅相比,它具有诸多优势:

  • 在大多数应用中的开关频率提高至 3 倍
  • 系统效率提高约 2% 并且损耗降低约 40%
  • 高达 50% 的功率密度(体积为 其1/3,重量为 其1/10)
  • 更小的无源器件和散热器体积
  • 降低系统 BOM 总成本

尽管 SiC 肖特基二极管长期以来被用于 MPPT 升压电路以提高效率,然而现在更广泛的采用全SiC MOSFET方案来实现。例如,Wolfspeed CRD-60DD12N 15 kW × 4 通道升压转换器参考设计提供 99.5% 的能源效率和 78 kHz 的开关能力。与硅相比,这种设计的能量效率提高了 1-2%,损耗减少了约 70%,功率密度提高至 3 倍,重量减轻为 1/10。所有这些性能都以更低的系统实施成本实现。

SiC 会对 AFE 部分带来类似的影响。六开关硅 IGBT 实施的成本相对较低,并且简单易用,因此得到了广泛使用(图 2)。然而,其开关频率限制在最高约 20 kHz,并且其频率在高功率水平下会大幅降低。虽然通过使用硅超结(SJ)器件的多级拓扑结构,设计师能够通过高频开关和良好系统效率实现所需的高电压电平,但代价是控制更为复杂,同时更多的开关以及相关的器件驱动器会导致器件数量和 BOM 成本大幅增加。Wolfspeed CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 参考设计证明了这一点。

Illustrated pros and cons list explaining the differences between a 2-Level Silicon Carbide AC-DC converter, an IGBT Based AC-DC converter, and a T-Type AC-DC Converter.
图 2:SiC 使得 AFE 设计更为简单高效,同时成本更低

在 ESS 领域,电动汽车市场已经对电池储能趋势造成了影响,使电池组的使用电压从 200 V 上升到 800-1000 V。这些高电压工况要求在双向DC-DC转换器中使用耐高压器件。设计人员经常在复杂的多电平谐振拓扑中使用常见的 650 V SJ 器件,但是在其拓扑中硅的开关频率限制在 80 kHz 到 120 kHz 之间。取而代之的是,例如CRD-22DD12N 22 kW 双向DC-DC充电机等简化拓扑的全 SiC 方案可以实现约 200 kHz 的谐振频率,且器件数量更少,总体系统成本更低。

将基于 SiC 的双向 AFE 和DC-DC充电机结合在一起,可以带来以下几个系统级优势:

  • 能耗降低 40%,从而实现
    • 更低的系统温度,更高的系统可靠性和使用寿命
    • 更小的散热器,甚至有可能消除主动冷却
  • 系统级效率提高 2%
  • 功率密度提高 50%
  • 系统成本降低18%

大功率 SiC 助力打造未来

基于 SiC 的系统可以支持几个近期的关键趋势。太阳能产业正朝着 1500 V 总线的方向发展,这需要 2 kV 器件或复杂的多级拓扑结构。在集中式逆变器领域,需要 2 kV 或更高电压的中高压器件和功率模块。

在当今的集中式逆变器中SiC 将提供单极开关,而不是双极开关,这可以实现相同的效率,并且具有重量、尺寸和成本优势。这项新的技术还将影响全新的领域,包括电力电子变压器、风力发电和轨道交通。

虽然当前有各种各样的 SiC 分立器件和功率模块可以满足现有需求,但 Wolfspeed 仍坚持其投资研发的传统,将新产品推向市场,以更好地满足未来的需求。敬请访问 www.wolfspeed.com/renewable-energy 了解更多信息。

References

  1. IEA, Renewable Energy Market Update - May 2022 (https://www.iea.org/reports/renewable-energy-market-update-may-2022)
  2. euronews.green, Powering up wind energy in a world of climate variability (https://www.euronews.com/green/2022/05/25/powering-up-wind-energy-in-a-world-of-climate-variability)
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