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Renewable Energy

碳化矽技術幫助綠色環保替代方案進入良性循環

Oct 03, 2022
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綠色環保意識和法規在推動電動汽車市場發展,它們幫助電池技術和基於碳化矽(SiC)元件設計不斷創新,從而促進綠色能源發電的轉型。

現在,擴大可再生能源的需求至關重要。日益變化的氣候問題,化石燃料供應鏈問題以及長期有限化石燃料資源難以滿足日益增長的能源需求,這些因素都使天平向區域性綠色能源傾斜。

大幅提高可再生能源(尤其是太陽能和風能)的投資回報率(ROI),意味著需要提升儲能系統(ESS)的效率、容量、功率密度和成本效益。由於不斷增長的電動汽車(EV)市場加快了電池技術和 SiC 元件的創新步伐,現在可以使用基於 SiC 元件的解決方案來説明實現所有這些目標。

太陽能光伏的成功

國際能源署(IEA)估計,2022 年可再生能源產能將增加 8%,突破 300 GW。[1] 據該機構稱,引領可再生能源復興的是太陽能光伏發電,它將占全球可再生能源產能增長的 60%。這種增長的背後有如下幾個原因:

  1. 太陽能電池板和相關的電子元件變得更加高效,同時相對於化石燃料還實現了更低的成本,其發展步伐比風能和水力發電都更快。全球各國政府正通過商業激勵和法規支持,在此基礎上進一步推動發展。
  2. 氣候變化加劇惡化了風能和太陽能發電的間歇性特徵[2],而採用儲能系統可以緩解這一問題。電池技術的改進帶來了容量的擴充和成本的降低,而基於 SiC 元件的設計使這些系統更加高效。
  3. 太陽能光伏的一個關鍵優勢在於其廣泛的可擴展性,從住宅應用的幾千瓦到公用事業規模的數兆瓦太陽能發電站,各種場合均可採用。與高功率和昂貴的公用事業規模投資中最為可行的風能和水力發電不同的是,太陽能適合多種系統組態。

太陽能面板至儲能系統概述

太陽能架構通常分為三種使用場景。戶用光伏使用微逆變器支援 1 到 4 個面板組合,使用組串式逆變器將面板集群從幾千瓦聚集到約 50 kW。工商業光伏使用從 50 kW 到 200 kW 的組串式逆變器集成到一起,為商業和工業提供服務。兆瓦規模的公用事業光伏安裝使用了大型集中式系統,但現在經常會選擇基於分散式的組串型拓撲結構,以減少安裝時間和成本,同時減少點故障的影響和整體維護成本。

最大功率點跟蹤器(MPPT)是一種直流-直流(DC-DC)升壓電路,從面板陣列獲取變化的電壓,並向內部匯流排供應更高的恒定電壓(圖 1)。然後,逆變器將更穩定的直流電轉換為電網的標準交流電。在儲能系統實施中,一個雙向 DC-DC 降壓-升壓(Buck-Boost)電路充當電池充電機。如果儲能系統需要從電網充電,逆變器也需要是雙向的。

SiC 技術提升

SiC 適用於從較低的 1 kW 到超過 1 MW 的升壓式 MPPT 控制器、雙向逆變器(Bi-directional inverter)和有源前端(AFE),以及儲能系統充電/放電電路中的雙向 DC-DC 等部分的拓撲結構。與矽相比,它具有諸多優勢:

  • 在大多數應用中的開關頻率提高至 3 倍
  • 系統效率提高約 2% 並且損耗降低約 40%
  • 高達 50% 的功率密度(體積為其1/3,重量為其1/10)
  • 更小的無源元件和散熱器體積
  • 降低系統 BOM 總成本

Although Silicon Carbide Schottky diodes have long been used in the MPPT boost circuit to increase efficiency, there is now broader adoption of full Silicon Carbide implementations with MOSFETs. For instance, Wolfspeed’s CRD-60DD12N 15-kW-by-4-channel boost converter reference design offers 99.5% energy efficiency and switching at 78 kHz. Compared to what is achievable with Silicon, this design delivers 1-2% higher energy efficiency or about 70% reduction in losses, 3X power density, and 10X reduction in weight.  All that performance at a lower system implementation cost.

儘管 SiC 肖特基二極體長期以來被用於 MPPT 升壓電路以提高效率,然而現在更廣泛的採用全 SiC MOSFET 方案來實現。例如,Wolfspeed CRD-60DD12N 15 kW × 4 通道升壓轉換器參考設計提供 99.5% 的能源效率和 78 kHz 的開關能力。與矽相比,這種設計的能量效率提高了 1% - 2%,損耗減少了約 70%,功率密度提高至 3 倍,重量減輕為 1/10。所有這些性能都以更低的系統實施成本實現。

SiC 會對 AFE 部分帶來類似的影響。六開關矽 IGBT 實施的成本相對較低,並且簡單易用,因此得到了廣泛使用(圖 2)。然而,其開關頻率限制在最高約 20 kHz,並且其頻率在高功率水準下會大幅降低。雖然通過使用矽超結(SJ)元件的多級拓撲結構,設計師能夠通過高頻開關和良好系統效率實現所需的高電壓電平,但代價是控制更為複雜,同時更多的開關以及相關的元件驅動器會導致元件數量和 BOM 成本大幅增加。Wolfspeed CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 參考設計證明了這一點。

在 ESS 領域,電動汽車市場已經對電池儲能趨勢造成了影響,使電池組的使用電壓從 200 V 上升到 800 - 1000 V。這些高電壓工況要求在雙向 DC-DC 轉換器中使用耐高壓元件。設計人員經常在複雜的多電平諧振拓撲中使用常見的 650 V SJ 元件,但是在其拓撲中矽的開關頻率限制在 80 kHz 到 120 kHz 之間。取而代之的是,例如 CRD-22DD12N 22 kW 雙向 DC-DC 充電機等簡化拓撲的全 SiC 方案可以實現約 200 kHz 的諧振頻率,且元件數量更少,總體系統成本更低。

將基於 SiC 的雙向 AFE 和 DC-DC 充電機結合在一起,可以帶來以下幾個系統級優勢:

  • 能耗降低 40%,從而實現
  • 系統級效率提高 2%
  • 功率密度提高 50%
  • 系統成本降低 18%

大功率 SiC 助力打造未來

基於 SiC 的系統可以支援幾個近期的關鍵趨勢。太陽能產業正朝著 1500 V 匯流排的方向發展,這需要 2 kV 元件或複雜的多級拓撲結構。在集中式逆變器領域,需要 2 kV 或更高電壓的中高壓元件和功率模組。

在當今的集中式逆變器中 SiC 將提供單極開關,而不是雙極開關,這可以實現相同的效率,並且具有重量、尺寸和成本優勢。這項新的技術還將影響全新的領域,包括電力電子變壓器、風力發電和軌道交通。

雖然當前有各種各樣的 SiC 分立元件和功率模組可以滿足現有需求,但 Wolfspeed 仍堅持其投資研發的傳統,將新產品推向市場,以更好地滿足未來的需求。敬請瀏覽 www.wolfspeed.com/renewable-energy 瞭解更多資訊。

參考資料:

  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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