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用于储能系统的 Wolfspeed 碳化硅

Paul Kierstead
Oct 21, 2021
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人们普遍认识到,碳化硅(SiC)现在作为一种成熟的技术,在从瓦特到兆瓦功率范围的很多应用中改变了电力行业,覆盖工业、能源和汽车等众多领域。这主要是由于它比以前的硅(Si)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的应用具有更多优势,包括更高的开关频率,更低的工作温度,更高的电流和电压容量,以及更低的损耗,进而可以实现更高的功率密度,可靠性和效率。得益于更低的温度和更小的磁性元件,热管理和电源组件现在尺寸更小,重量更轻,成本更低,从而降低了总BOM成本,同时也实现了更小的占用空间。

碳化硅已经是一种成熟的技术,并成为需要电力传输系统的一种非常常见的解决方案,特别是在储能应用中,如电动汽车充电和附加电池的太阳能系统。这些系统一般包含几个应用SiC技术的器件,如DC/DC升压转换器,双向逆变器(交流电和直流电互相转换),和灵活的电池充电电路。简而言之,碳化硅使系统效率提高了3%,功率密度提高了50%,并减少了无源元件的体积和成本。

大多数储能系统(ESS)都有多个能源转换步骤,可以从SiC器件中获益。Wolfspeed提供几种封装的器件,如肖特基二极管/ MOSFET(具有高达100A额定电流封装/196-A裸模封装)和WolfPACK系列器件中所使用的具有高达450A额定电流的功率模块。无论是单相家用系统(5-15 kW)还是三相商用系统(30-100 kW),其架构和电源电路拓扑基本相似;但是它们可以根据功率级别进行调整。

图1为一个典型的ESS架构,包含了电源(光伏或PV,值得注意的是, 这个应用可以使用任何替代能源替换), DC/DC转换器,电池充电机,把能量输送到家庭端或输送回电网的逆变器。这种配置下的三个电源模块中,SiC可以提高效率,减少尺寸、重量和成本。

图1:家用或商用的ESS配置

SiC在ESS电源模块中的优势

如上所示,当对收集到的能源进行转换并将其用于存储或为住宅/建筑供电时,涉及到几个能源转换步骤。DC/DC转换通常由一个用于光伏应用的升压变换器实现,这时更高的系统效率和功率密度会发挥更大作用。与Si等传统技术相比,SiC技术的独特优势包括系统尺寸减少70%,能源消耗减少60%以上,系统成本降低30%之多。

图2为基于碳化硅的60kW交错升压变换器(来自Wolfspeed参考设计CRD-60DD12N)的示例,其中包含几个SiC MOSFET和二极管。四路交错并联帮助调节输出功率高达60kw,同时在输出850VDC时保持99.5%的效率。该设计包含两个C3M0075120K MOSFET(带开尔文源极引脚的TO-247-4L封装),每路拓扑有两个C4D10120D二极管和一个CGD15SGOOD2隔离式栅极驱动器。

图2:基于碳化硅的60 kW交错升压变换器的参考设计

在上图的参考设计中,对不同开关频率下的BOM成本进行了分析/对比。在更高的频率下(100kHz相对于60kHz),得益于更小、更轻的组件/磁性材料,成本明显降低,而冷却系统可能会由于更高的运行温度而增加一些成本。但总的来说,更高的频率通常意味着更高的功率密度、更高的系统效率和更低的成本。这就是为何SiC能够以更低的价格提供更好的性能。

另一个Wolfspeed参考设计(3)突出了SiC在逆变器和DC/DC充电电路中的优势。该设计在单相或三相模式下运行,充电和放电的峰值效率大于98.5%。变换器部分包括一个简单两电平AC/DC变换器,兼容单相和三相连接,并且只有6个SiCMOSFET。这种应用不像大多数的IGBT转换器那样成本低廉,但会在效率和损耗方面表现得更好。虽然T型AC/DC变换器提供了相似的开关频率和效率,但它往往拥有复杂的控制系统和更多数量的部件与较低的功率密度。

图3:应用碳化硅MOSFET的简单两电平逆变器/整流回馈装置(AFE)

在上图的设计中,直流输出电压可以高达900 V,而电池电压通常在800 V左右。受电热应力的影响,Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET是非常合适的,因为它具有一流的品质因数、易于控制和Vgs驱动特性、开尔文源极封装等优点,可以减少开关损耗和串扰等问题。

这种拓扑结构适合于可实现不同功能的先进数控方案,如单相交错PFC方案或基于DQ变换的三相空间矢量PWM方案,这些方案可以达成所有器件开关损耗的平衡,进而形成一个非常灵活的参考平台。利用PWM控制开关有助于检测和功耗平衡,同时优化热性能,提高效率和可靠性。

在测试、测量各种负载下的效率和单相充电的电压范围时,结果表明,SiC的效率高达98.5%,而IGBT的最高效率为96%, 因此SiC的损耗降低约38%。4显示了在不同功率水平下充电和放电的AFE的两组图表。

图4: 在多个功率级别下充电(左)和放电(右)模式的AFE效率

三相充电实现了相同的峰值效率,同时在系统和设备限制下热性能也运行良好。尽管T型拓扑也可以达到类似的性能,但它通常更复杂,成本更高。

对22kW逆变器/AFE配置总结一下,C3M0032120K SiC MOSTET和灵活的控制方案可以实现高效率(>98.5%),高功率密度(4.6 W/L),低损耗(60%),以及双向工作,支持来自三相AC和单相AC输入,也支持输出200-800 VDC的电池电压范围。

SiC在DC/DC电池充电电路中的优势

很多拓扑支持隔离型DC/DC转换器;然而,最主流的解决方案是半桥LLC和全桥LLC转换器。参考设计(Wolfspeed的CRD-22DD12N)展示了一种22kW的解决方案,可配置在级联变换器或单个两级变换器。级联变换器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件,但通常会需要更多数量的部件,更高的导通损耗,更复杂的控制,以及更高的系统成本。使用SiC器件的单级两电平变换器可在更高的电压(1200 V)和高达200 kHz的开关频率下工作。SiC基的最大优势是更高的效率/更低的损耗,并具有一些额外的特性,如零电压导通、低电流关断和更低的电磁干扰EMI风险。这种拓扑结构比级联变换器的部件数更少,有助于降低系统成本,提供更简单的控制。图5展示了这两种拓扑的差异。

图5:22kW全桥CLLC DC/DC变换器-级联(左)和单级两电平(右)

当考虑22kW设计的功率元件时,再次证明了C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET提供了最佳的电应力和热特性来配适转换器。此外,它的Vgs可以支持15V,使之更易驱动。可变直流链路电压控制(基于感知的电池电压)使系统效率达到最佳,并确保CLLC运行接近谐振频率。当电池电压较低时,控制切换到相移模式,这样就降低了增益,防止在谐振频率范围外低效地运行。这意味着使用相同的硬件也可以在较低的输出电压下实现类似的高效率。如果需要更低的电池电压,CLLC原边可以作为半桥运行,这进一步降低了增益,但保持了效率区。由于运行成本较低,热设计不那么严格,这种低效率仍然可以接受。

图6显示了全桥配置的充电和放电模式的波形。充电模式图显示零电压导通,低电流关断,运行效率高。波形也非常干净,有低过冲开关,有助于消除EMI问题。

图6: 22kW SiC DC/DC变换器的充放电模式

转换器的效率值与逆变器参考设计相似,在大多数负载上的峰值效率为98.5%。在设计采用半桥模式之前,可变直流链路电压和最终效率都保持在97%以上,这限制了充电时的效率和功率传输能力。一般来说,SiC MOSFET加上灵活的控制方案可以实现高效率(>98.5%的充电/放电效率)和高功率密度(8 kW/L),支持单相AC和三相AC输入的双向充电。与硅Si相比,由于栅极驱动器的简单性、热管理组件、减少的部件数量和更小的磁性元件,它实现了更高的效率和功率密度,进而成本得以明显降低。

总结Wolfspeed SiC的优势

碳化硅器件使得如今的工业获得极大发展,主要得益于其热性能、更快的开关和更低的损耗。由于导通电阻对温度的依赖性较低,MOSFET在较高温度下的导通损耗较低,并能实现高频开关。此外,高性能体二极管允许高可靠性的谐振变换器应用,而较小的输出电容使LLC变换器实现零电压导通变得容易。

图7显示了SiC对比硅Si器件(额定650V)在尺寸/重量上的独特优势。通常,硅器件需要一个变压器和谐振电感,而SiC配置可以不用集成变压器/电感,节省了重量和空间。

图7: SiC和Si在尺寸和重量上的对比

在效率方面,中等负载的峰值为98.5%(如前面示例所示),但在输入范围的最大负载时,峰值大于97.5%。Wolfspeed的SiC器件系列适应于应用的所有功率范围,范围从1千瓦到兆瓦不等,也可用于大功率模块。Wolfspeed系列有低端的离散型解决方案、中功率级别的WolfPACK模块和高端的大功率模块解决方案,设计人员可以在降低BOM成本和优化物理尺寸/布局的同时,选择多种拓扑和源流。功率模块将最大限度地提高功率密度,简化布局和配件(符合行业标准的占用空间),支持高功率系统的可扩展性,并在较低的劳力和元件成本下确保最高的效率和可靠性。

Wolfspeed提供了多种拓扑的参考设计和评估工具包,如AC/DC功率因数校正、降压型/升压型DC/DC、高频DC/DC和双向AC/DC、DC/DC和DC/AC工具包。SpeedFit设计模拟器有助于描述系统级电路的特征,为通用拓扑建模,并为你的电子应用选择合适的SiC设备。

无论是使用离散模块还是大功率模块,从住宅到工业的储能应用,SiC都显示出了巨大的商机,Wolfspeed的组合/资源可以在确保低成本、小空间的同时实现最灵活、可扩展、高性能的设计。

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