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Solar Energy

Wolfspeed SiC 有助實現太陽能基礎設施轉型

Zan Huang
Jan 04, 2024
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如今,世界各地的人們愈來愈盡可能地選擇再生能源。各類消費者和大大小小的企業都將太陽能視為一種可行、乾淨、便利的能源形式。無論是安裝在空間狹小的住宅屋頂,或是安裝在商業建築上,利用光電板收集太陽能都可謂一種可擴展的可再生方法。

高效率功率轉換的重要意義

收集太陽能並將其轉換成標準的交流電網電壓涉及多級轉換,每級轉換都會遭受一些損耗。能量轉換損耗表現的形式各式各樣(如廢熱和電壓降低),但無論何種形式,都會共同導致轉換效率低下,造成得到的比投入的要少。

設計一種高效率的能量轉換架構就變得特別重要。如果要降低損耗,就需要深入了解損耗發生的位置,包括 I2R 導體損耗、半導體傳導損耗以及發生在相關被動元件中的損耗。通常,能量損耗會導致產生熱量,這些熱量需要藉助散熱器或強制風冷裝置予以消散,而這會增加額外的重量和成本,並會擴大整體的佔用空間。 此外,在高溫下操作電子元件會降低系統的可靠性,進而導致代價不菲的停機時間和潛在的收入損失。

在此領域,矽基半導體從一開始就佔據了主導地位,但對更緊湊、更高效、更低成本功率轉換的需求推動了對新型半導體技術的研究。與矽相比,碳化矽 (SiC) 等寬能隙材料可在更高開關頻率及更高電壓下工作,並且具有更廣泛的工作溫度範圍,可實現體積更小、更緊湊的設計,並可提高系統等級的功率密度。

太陽能變流器案例比較

在太陽能和儲能系統所使用的變流器中,矽基絕緣柵雙極電晶體 (IGBT) 一直被用作高功率開關電晶體。但 Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V SiC MOSFET 以及相關的 SiC 二極體可提供顯著優勢,包括將系統損耗降低 70%、將重量減輕 80%(針對 60 kW 變流器)、將系統成本降低最高 15%。 此外,Wolfspeed 的 SiC MOSFET 具有在溫度範圍內業界領先的 Rds(on) 特性,以及與矽基同類產品相比,降低 30%的峰值反向恢復電流。

圖 1 顯示的是 60 kW 太陽能變流器和儲能系統的高階架構。 800 Vout MPPT 升壓電路、400 VAC 三相變流器和 400 V 電池充電器/儲能系統 (ESS) 這三個功能階段需要開關半導體。 與 IGBT 相比,採用Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極體結合的方法,可使整體系統效率提高 3%,等效於降低70%的系統損耗。

Three illustrated topologies for a commercial 60kW solar inverter. The left hand, top section is outlined in light blue and labeled "Interleaved MPPT Boost" and the right hand, top side is outlined in teal and labeled "2 or 3 Level, 3-Phase Inverter". The bottom part of the image is outlined in purple and labeled "Non-isolated Bi-directional DC/DC Energy Storage".
圖 1 - 商用 60 kW 太陽能變流器和儲能系統的高階功能架構

圖 2 詳細介紹了每個級在效率、功率密度和功率損耗降低方面的效益。在範例中,Wolfspeed SiC MOSFET 的運作頻率為 45 kHz或更高,而 IGBT 的運作頻率為 16 kHz。

A three-column infographic showing product topologies and product detail tables. The left column is titled "2 x 30 kW boost" and the table summarizes itself as reading "84% Low Power Loss". The center column is titled "T Type inverter" and the table summarizes its data as "33% low power loss"
圖 2 - Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和僅矽基方式在效率、功率密度和損耗方面的比較

與 IGBT 相比,Wolfspeed 的 SiC MOSFET(如圖 2 中 30 kW 升壓電路部分所使用的 C3M0040120K 1200 V 裝置)可在高得多的開關頻率下運作,使得可以使用體積更小的電感器和電容元件,從而進一步有助於減少變流器的佔用空間。作為 SiC MOSFET 的補充,Wolfspeed 的 SiC 二極體(例如 C4D30120H (1200 V 蕭特基二極體)可提供高效率的配對組合。與 IGBT 為主的裝置相比,使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極體設計的變流器重量可減輕高達 80%。例如,一個 60 kW IGBT 變流器重 173 公斤(約 380.6 磅),而 Wolfspeed 碳化矽變流器重 33 公斤(約 72.6 磅)。由於安裝 IGBT 系統需要起重機和多名人員,因此,這種重量減輕可在安裝過程中帶來顯著優勢。重量減輕使得安裝和調試 SiC 變流器所需的人員更少,整體實施成本降低,安裝過程的效率也大大提高。

A two column infographic titled "Design up to 80% Lighter Inverters with Silicon Carbide." On the left side there is a Wolfspeed
圖 3:使用 Wolfspeed SiC 解決方案設計重量減輕最高 80% 的變流器

將 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 用於三相 60 kW 太陽能變流器的好處,同樣適用於住戶太陽能裝置中使用的小型單相變流器。在住戶變流器中,SiC 簡化了變流器設計,並且憑藉 Wolfspeed SiC MOSFET 降低恢復損耗的特性,損耗可降低 80% 以上。

圖 4 顯示了單相 7kW 住戶變流器的最大功率點追蹤 (MPPT) 升壓轉換器和變流器階段。對於所有太陽能變流器設計而言,升壓功能都是一個關鍵層面,這是因為隨著天氣條件的變化,電路板的輸入電壓在白天會有很大變化。將變流器的輸入電壓提升至穩定的 400 V,系統可以更有效率地運行,並且變流器將提供可靠的 220 VAC 輸出。Heric 拓樸變流器使用四個 Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET,與使用 IGBT 裝置相比,可將損耗降低 17%。升壓功能使用 Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC 蕭特基二極體。與其他矽二極體相比,Wolfspeed 二極體表現出零反向恢復特性,允許超快速開關操作,並且具有在溫度範圍內的最低正向電壓降特性,以及與溫度無關的開關行為。

A two column infographic. The left column shows an MPT boost converter. Underneath is a table showing its details that culminates in a pullout quote that reads "58% lower power loss". The right column shows an inverter and a table showing its details that culminates in the pullout quote that reads "17% lower power loss".
圖 4 – 單相 7 kW 住戶太陽能變流器的 MPPT 升壓和變流器階段

為了加快單相太陽能變流器的開發,Wolfspeed 提供了一種 60 kW 升壓轉換器參考設計。CRD-60DD12N 參考設計包括原理圖、PCB 佈局和 BOM,並使用 Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 和 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 蕭特基二極體。60 kW 設計可在高達 78 kHz 的開關頻率下運作,峰值效率高達 99.5%。

Wolfspeed SiC 設計資源

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