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Renewable Energy

从太阳能到汽车:碳化硅推动实现可再生的未来

Aug 03, 2022
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随着世界朝着更加绿色的可持续未来迈进,许多国家/地区正在减少化石燃料能源发电,转而使用可再生能源。2010 年至 2020 年,新型公用事业规模太阳能光伏 (PV) 项目的全球加权发电成本下降了 85%,陆上风电和海上风电的全球加权发电成本分别下降了 56% 和 48%。因此,可再生能源成为了几乎所有国家/地区增加能源产能的典型途径。2010 年至 2020 年,累计光伏装机(含离网)的复合年增长率 (CAGR) 达到 34%。[ii]

随着能源效率提升的步伐不断加快,这种增长势头还将继续。国际可再生能源机构(IRENA)的一份报告明确指出,如果要将全球变暖限制在 1.5°C 以内,每年需要削减 36.9 Gt 的二氧化碳排放,并建议在 2050 年前,设定每年分别新增 444 GW 和 248 GW 太阳能光伏和风能发电的目标。IRENA 估计,可再生能源和能源效率的显著提高均可为实现目标减排做出不低于 25% 的贡献,而另外的 20% 则可通过交通工具等应用的电气化来实现。[ii]

虽然新型风力涡轮机设计和钙钛矿型太阳能电池的研究正在推进能源转换效率到达极限,但联接可再生能源从发电到使用环节的功率半导体元件已经不再是利用太阳能驱动汽车的薄弱环节。在能源互联、分配和储存系统中,只需用碳化硅(SiC)取代传统的半导体技术,便可在尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C) 方面获得巨大优势。

电力电子转换环节中的高效率

对于 5-15 kW 住宅单相和 30-100 kW 商业三相架构而言,太阳能电池板阵列可用于增加电压和减少连接与电缆的 I2R 损耗。通常,光伏阵列电压被提升到为储能系统(ESS)充电的稳压直流电压,这有助于克服太阳能发电中常见的功率波动。稳压直流电压供给逆变器进行DC-AC转换,而最大功率点跟踪(MPPT)控制器可优化太阳能电池板上的负载,从而获得最高的能源效率。

Wolfspeed 可提供适合该电力电子转换环节中每一个转换单元的SiC器件,可以满足住宅、轻型商业和公用事业规模应用所需的功率等级。Wolfspeed 的技术可帮助设计人员以更低的系统成本实现更高的系统级效率和功率密度,而所有这些都是驱动可再生能源市场的主要因素( 1)。

DC-DC升压:DC-DC 电路单元用于将变化的光伏电池板电压升高到稳定直流电压。设计人员通过把该单元的主串式逆变器中原来使用的硅基二极管和 MOSFET 替换成 Wolfspeed 的 SiC 模块,使系统尺寸缩减 70%,系统效率提高 1%,同时系统总成本降低 30%。这是由于 SiC 模块的使用提高了系统的开关频率,从而缩小了功率电感、电容、滤波器和变压器的尺寸,进而降低了系统总成本。

储能系统:储能系统应用为在住宅、工业等应用中采用 SiC 提供了巨大机会,填补了 Si 在DC-DC升压/MPPT、双向有源前端(AFE)和直流电池充电机中留下的系统需求空白。

Wolfspeed 对 SiC 解决方案开展的测试表明,通过使用SiC,系统效率可提高近 3%,功率密度最多可提高 50%,并可显著缩减无源元件体积,大幅降低无源 BOM 成本。

A composite image showing a CRD-60DD12N on the top left, a 2MVA Grid-Tied Solar Inverter with SiC on the top middle, and an electric vehicle charging station on the top right. The middle row shows a solar farm on the left, an energy storage device on the middle, and an electric car on the right. The bottom row is a line of 6 multi-colored hexagons, each with an adjective explaining how SiC devices are faster and more reliable.
图 1:Wolfspeed 提供适合该电力电子转换环节中每个转换单元的 SiC 器件,包括DC-DC升压型器件、快速充电机等,助力实现从太阳能到汽车的应用。

3.3 kV 至 20+ kV(中高压)SiC MOSFET 模块开辟了多个现有和新兴的应用领域,包括并网逆变器、超级充电机和电机牵引。

并网逆变器:此类逆变器利用中高压 SiC 器件可将太阳能发电厂直接连接到电网,从而从电力电子变换环节中消除了沉重、昂贵且有较大损耗的变压器。这降低了光伏发电系统的安装、运营和选址成本。

例如,2 MVA 并网逆变器系统包括工作频率为 40 kHz 的 Wolfspeed 1700 V SiC 半桥模块、一个工作频率为 40 kHz 的较小体积的中频变压器,以及工作频率为 10 kHz 的 Wolfspeed 10 kV SiC 模块。如果不包括变压器,其重量不到 1,000 磅,CEC 效率可达到 98% 以上。

直流快速充电:传统快速充电机通常使用低频变压器,这会将整个系统的重量增加几千磅。一个 500 kVA 的传统充电机系统容量为 5,190 升、重量为 3,537 kg、功率损耗 >28 kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5 kV SiC 和 >20 kHz 固态变压器(SST)的现代 500 kVA 快速充电机系统容量 1,298 升、重量 530 kg、功率损耗 不超过11.25 kW。因此,基于SiC的 直流快速充电机用时不到 4 分钟便可充满电,且该系统尺寸比原传统充电机尺寸缩小超过 75%,重量减轻 85% 以上,损耗减少超过 60%,成本降低 40% 以上。

牵引和移动:中高压 SiC 模块可将交通工具的年油耗降低 1-4%,并可在重型设备的驱动系统、冷却和布线方面节省大量成本。

额定值可满足广泛的应用范围

Wolfspeed 提供可覆盖行业最广泛应用功率范围的 SiC 分立器件和模块(图 2)。Wolfspeed 的中高压解决方案(额定值从 LM3 模块的3.3 kV到 MM3 模块的6.5 kV和 XHV-9 模块的10 kV不等)可解决上述应用中宽范围的电压、电流和隔离要求。

3.3 kV 至 20+ kV(中高压)SiC MOSFET 模块开辟了多个现有和新兴的应用领域,包括并网逆变器、超级充电机和电机牵引。

并网逆变器:此类逆变器利用中高压 SiC 器件可将太阳能发电厂直接连接到电网,从而从电力电子变换环节中消除了沉重、昂贵且有较大损耗的变压器。这降低了光伏发电系统的安装、运营和选址成本。

例如,2 MVA 并网逆变器系统包括工作频率为 40 kHz 的 Wolfspeed 1700 V SiC 半桥模块、一个工作频率为 40 kHz 的较小体积的中频变压器,以及工作频率为 10 kHz 的 Wolfspeed 10 kV SiC 模块。如果不包括变压器,其重量不到 1,000 磅,CEC 效率可达到 98% 以上。

直流快速充电:传统快速充电机通常使用低频变压器,这会将整个系统的重量增加几千磅。一个 500 kVA 的传统充电机系统容量为 5,190 升、重量为 3,537 kg、功率损耗 >28 kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5 kV SiC 和 >20 kHz 固态变压器(SST)的现代 500 kVA 快速充电机系统容量 1,298 升、重量 530 kg、功率损耗 不超过11.25 kW。因此,基于SiC的 直流快速充电机用时不到 4 分钟便可充满电,且该系统尺寸比原传统充电机尺寸缩小超过 75%,重量减轻 85% 以上,损耗减少超过 60%,成本降低 40% 以上。

牵引和移动:中高压 SiC 模块可将交通工具的年油耗降低 1-4%,并可在重型设备的驱动系统、冷却和布线方面节省大量成本。

额定值可满足广泛的应用范围

Wolfspeed 提供可覆盖行业最广泛应用功率范围的 SiC 分立器件和模块(图 2)。Wolfspeed 的中高压解决方案(额定值从 LM3 模块的3.3 kV到 MM3 模块的6.5 kV和 XHV-9 模块的10 kV不等)可解决上述应用中宽范围的电压、电流和隔离要求。

This is a complex composite image, showing multiple images of electric vehicles and Wolfspeed products along a left-to-right diagonal arrow. It represents how Wolfspeed's portfolio has a wide range of uses and power ranges.
图 2:Wolfspeed SiC 产品组合为可再生能源应用提供功率可扩展性(覆盖 2 kW 以下到兆瓦级的范围)。

作为一家具有最大市场份额且在不断增长的垂直整合 SiC 供应商,Wolfspeed 拥有超过 30 年的经验,数以百万计的 MOSFET 和二极管在现场工作数万亿小时。

如需了解 SiC 技术的优势和最适合您应用的器件,请点击此处联系 Wolfspeed 专家

Article original source: Power Electric News


[i] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme,《光伏报告》(Photovoltaics Report),2022 年 2 月 24 日(https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf)

[ii] IRENA,《2022 年世界能源转型展望》(World Energy Transitions Outlook 2022),ISBN: 978-92-9260-429-5 (https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2022/Mar/IRENA_WETO_Summary_2022.pdf)

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