Wolfspeed SiC 助力實現(xiàn)太陽能基礎設施轉型

如今，世界各地的人們越來越多地盡可能選擇可再生能源。各類消費者和大大小小的企業(yè)都將太陽能視為一種可行、清潔、便利的能源形式。無論是安裝在空間緊湊的住宅屋頂，還是安裝在商業(yè)樓宇之上，利用光伏板收集太陽能都可謂一種可擴展的可再生方法。 高效功率轉換的重要意義

收集太陽能并將其轉換成標準的交流電網(wǎng)電壓涉及多級轉換，而每級轉換都會遭受一些損耗。能量轉換損耗表現(xiàn)的形式多種多樣（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。

設計一種高效的能量轉換架構就變得尤為重要。如果要降低損耗，就需要深入了解損耗發(fā)生的位置，包括導體的I2R損耗、半導體導通損耗以及發(fā)生在相關無源元件中的損耗。通常，能量損耗致使產(chǎn)生熱量，這些熱量需要借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，并會擴大整體的占用空間。此外，在高溫下操作電子元件會降低系統(tǒng)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。

在這一領域，硅基半導體從一開始就占據(jù)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。與硅相比，碳化硅 (SiC) 等寬禁帶材料可在更高開關頻率及更高電壓下工作，并且具有更寬泛的工作溫度范圍，可實現(xiàn)體積更小、更緊湊的設計，并可提高系統(tǒng)級的功率密度。

太陽能逆變器使用案例比較

在太陽能和儲能系統(tǒng)所用的逆變器中，硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 歷來都被用作大功率開關晶體管。但 Wolfspeed 的 650 V 和 1200 V SiC MOSFET 以及相關的 SiC 二極管可提供顯著優(yōu)勢，包括將系統(tǒng)損耗降低 70%、將重量減輕 80%（對于 60 kW 逆變器）、將系統(tǒng)成本削減高達 15%。此外，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 具有在溫度范圍內業(yè)界領先的 Rds(on) 特性，以及與硅基同類產(chǎn)品相比，降低 30% 的峰值反向恢復電流。

圖 1 顯示的是 60 kW 太陽能逆變器和儲能系統(tǒng)的高級架構。800 Vout MPPT 升壓電路、400 VAC 三相逆變器和 400 V 電池充電器/儲能系統(tǒng) (ESS) 這三個功能級需要開關半導體。與 IGBT 相比，采用Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管相結合的方法，可使整體系統(tǒng)效率提高 3%，等效于降低 70% 的系統(tǒng)損耗。

圖 1：商用 60 kW 太陽能逆變器和儲能系統(tǒng)的 高級功能架構

圖 2 詳細說明了每個級在效率、功率密度和功耗降低方面的獲益。此例中，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 的工作頻率為 45kHz 或更高，相比之下，IGBT 的工作頻率為 16 kHz。



圖 2：Wolfspeed 的全 SiC、混合型 SiC 和僅硅基方式 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 器件）可在高得多的開關頻率下工作，使得可以使用體積更小的電感器和電容元件，從而進一步有助于減少逆變器的占用空間。作為 SiC MOSFET 的補充，Wolfspeed 的 SiC 二極管（例如 C4D30120H 1200 V 肖特基二極管）提供了高效的配對組合。

與基于 IGBT 的裝置相比，使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管設計的逆變器重量可減輕多達 80%。例如，一個 60 kW IGBT 逆變器重 173 kg（約 380.6 磅），而基于 Wolfspeed 碳化硅的逆變器重 33 kg（約 72.6 磅）。由于安裝 IGBT 系統(tǒng)需要起重機和多名人員，因此，這種重量減輕可在裝配過程中帶來顯著優(yōu)勢。重量減輕使得安裝和調試 SiC 逆變器所需的人員更少，總體實施成本降低，裝配過程的效率也大大提高。

圖 3：利用 Wolfspeed SiC 解決方案設計

重量可減輕多達 80% 的逆變器

將 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 用于三相 60 kW 太陽能逆變器所獲得的益處，同樣適用于戶用太陽能裝置使用的小型單相逆變器。對于戶用逆變器，SiC 簡化了逆變器的設計，而且得益于 Wolfspeed SiC MOSFET 的恢復損耗屬性減少，損耗可降低 80% 以上。

圖 4 顯示的是單相 7 kW 戶用逆變器的最大功率點跟蹤 (MPPT) 升壓轉換器級和逆變器級。對于所有太陽能逆變器設計而言，升壓功能都是一個關鍵方面，這是因為隨著天氣條件的變化，電池板的輸入電壓在白天會有很大變化。通過將逆變器的輸入電壓提升到一致的 400 V，系統(tǒng)可更高效地運行，逆變器也會提供可靠的 220 VAC 輸出。Heric 拓撲逆變器采用四個 Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET，與采用 IGBT 器件相比，可將損耗降低 17%。升壓功能采用 Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC 肖特基二極管。與其他硅二極管相比，Wolfspeed 二極管表現(xiàn)出零反向恢復特性，使得可進行超快速開關操作，并且具有在溫度范圍內的最低正向電壓降特性，以及與溫度無關的開關行為。



圖 4：單相 7 kW 戶用太陽能逆變器的 MPPT 升壓級和逆變器級

為加快單相太陽能逆變器的開發(fā)，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 布局和 BOM，并采用 Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFET 和 Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC 肖特基二極管。60 kW 設計可在高達 78 kHz 的開關頻率下工作，峰值效率高達 99.5%。

Wolfspeed SiC 設計資源

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審核編輯：劉清