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人們普遍認識到，碳化硅（SiC）現在作為一種成熟的技術，在從瓦特到兆瓦功率范圍的很多應用中改變了電力行業，覆蓋工業、能源和汽車等眾多領域。這主要是由于它比以前的硅（Si）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的應用具有更多優勢，包括更高的開關頻率，更低的工作溫度，更高的電流和電壓容量，以及更低的損耗，進而可以實現更高的功率密度，可靠性和效率。得益于更低的溫度和更小的磁性元件，熱管理和電源組件現在尺寸更小，重量更輕，成本更低，從而降低了總BOM成本，同時也實現了更小的占用空間。 用于儲能系統的 Wolfspeed 碳化硅 碳化硅已經是一種成熟的技術，并成為需要電力傳輸系統的一種非常常見的解決方案，特別是在儲能應用中，如電動汽車充電和附加電池的太陽能系統。這些系統一般包含幾個應用SiC技術的器件，如DC/DC升壓轉換器，雙向逆變器（交流電和直流電互相轉換），和靈活的電池充電電路。簡而言之，碳化硅使系統效率提高了3%，功率密度提高了50%，并減少了無源元件的體積和成本。 大多數儲能系統（ESS）都有多個能源轉換步驟，可以從SiC器件中獲益。Wolfspeed提供幾種封裝的器件，如肖特基二極管/ MOSFET（具有高達100A額定電流封裝/196-A裸模封裝）和WolfPACK系列器件中所使用的具有高達450A額定電流的功率模塊。無論是單相家用系統（5-15 kW）還是三相商用系統（30-100 kW），其架構和電源電路拓撲基本相似;但是它們可以根據功率級別進行調整。 圖1為一個典型的ESS架構，包含了電源（光伏或PV，值得注意的是，這個應用可以使用任何替代能源替換），DC/DC轉換器，電池充電機，把能量輸送到家庭端或輸送回電網的逆變器。這種配置下的三個電源模塊中，SiC可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。 
圖1: 家用或商用的ESS配置 SiC在ESS電源模塊中的優勢 如上所示，當對收集到的能源進行轉換并將其用于存儲或為住宅/建筑供電時，涉及到幾個能源轉換步驟。DC/DC轉換通常由一個用于光伏應用的升壓變換器實現，這時更高的系統效率和功率密度會發揮更大作用。與Si等傳統技術相比，SiC技術的獨特優勢包括系統尺寸減少70%，能源消耗減少60%以上，系統成本降低30%之多。 圖2為基于碳化硅的60kW交錯升壓變換器（來自Wolfspeed參考設計CRD-60DD12N）的示例，其中包含幾個SiC MOSFET和二極管。四路交錯并聯幫助調節輸出功率高達60kW，同時在輸出850VDC時保持99.5%的效率。該設計包含兩個C3M0075120K MOSFET（帶開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每路拓撲有兩個C4D10120D二極管和一個CGD15SGOOD2隔離式柵極驅動器。
圖2: 基于碳化硅的60 kW交錯升壓變換器的參考設計 在上圖的參考設計中，對不同開關頻率下的BOM成本進行了分析/對比。在更高的頻率下（100kHz相對于60kHz），得益于更小、更輕的組件/磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統可能會由于更高的運行溫度而增加一些成本。但總的來說，更高的頻率通常意味著更高的功率密度、更高的系統效率和更低的成本。這就是為何SiC能夠以更低的價格提供更好的性能。 另一個Wolfspeed參考設計（圖3）突出了SiC在逆變器和DC/DC充電電路中的優勢。該設計在單相或三相模式下運行，充電和放電的峰值效率大于98.5%。變換器部分包括一個簡單兩電平AC/DC變換器，兼容單相和三相連接，并且只有6個SiCMOSFET。這種應用不像大多數的IGBT轉換器那樣成本低廉，但會在效率和損耗方面表現得更好。雖然T型AC/DC變換器提供了相似的開關頻率和效率，但它往往擁有復雜的控制系統和更多數量的部件與較低的功率密度。
圖3: 應用碳化硅MOSFET的簡單兩電平逆變器/AFE 在上圖的設計中，直流輸出電壓可以高達900 V，而電池電壓通常在800 V左右。受電熱應力的影響，Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET是非常合適的，因為它具有一流的品質因數、易于控制和Vgs驅動特性、開爾文源極封裝等優點，可以減少開關損耗和串擾等問題。 這種拓撲結構適合于可實現不同功能的先進數控方案，如單相交錯PFC方案或基于DQ變換的三相空間矢量PWM方案，這些方案可以達成所有器件開關損耗的平衡，進而形成一個非常靈活的參考平臺。利用PWM控制開關有助于檢測和功耗平衡，同時優化熱性能，提高效率和可靠性。 在測試、測量各種負載下的效率和單相充電的電壓范圍時，結果表明，SiC的效率高達98.5%，而IGBT的最高效率為96%， 因此SiC的損耗降低約38%。圖4顯示了在不同功率水平下充電和放電的AFE的兩組圖表。
圖4: 在多個功率級別下充電（左）和放電（右）模式的AFE效率 三相充電實現了相同的峰值效率，同時在系統和設備限制下熱性能也運行良好。盡管T型拓撲也可以達到類似的性能，但它通常更復雜，成本更高。 對22kW逆變器/AFE配置總結一下，C3M0032120K SiC MOSTET和靈活的控制方案可以實現高效率（>98.5%），高功率密度（4.6 W/L），低損耗（60%），以及雙向工作，支持來自三相AC和單相AC輸入，也支持輸出200-800 VDC的電池電壓范圍。 SiC在DC/DC電池充電電路中的優勢 很多拓撲支持隔離型DC/DC轉換器;然而，最主流的解決方案是半橋LLC和全橋LLC轉換器。參考設計（Wolfspeed的CRD-22DD12N）展示了一種22kW的解決方案，可配置在級聯變換器或單個兩級變換器。級聯變換器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件，但通常會需要更多數量的部件，更高的導通損耗，更復雜的控制，以及更高的系統成本。使用SiC器件的單級兩電平變換器可在更高的電壓（1200 V）和高達200 kHz的開關頻率下工作。SiC基的最大優勢是更高的效率/更低的損耗，并具有一些額外的特性，如零電壓導通、低電流關斷和更低的電磁干擾EMI風險。這種拓撲結構比級聯變換器的部件數更少，有助于降低系統成本，提供更簡單的控制。圖5展示了這兩種拓撲的差異。
圖5: 22kW全橋CLLC DC/DC變換器-級聯（左）和單級兩電平（右） 當考慮22kW設計的功率元件時，再次證明了C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET提供了最佳的電應力和熱特性來配適轉換器。此外，它的Vgs可以支持15V，使之更易驅動。可變直流鏈路電壓控制（基于感知的電池電壓）使系統效率達到最佳，并確保CLLC運行接近諧振頻率。當電池電壓較低時，控制切換到相移模式，這樣就降低了增益，防止在諧振頻率范圍外低效地運行。這意味著使用相同的硬件也可以在較低的輸出電壓下實現類似的高效率。如果需要更低的電池電壓，CLLC原邊可以作為半橋運行，這進一步降低了增益，但保持了效率區。由于運行成本較低，熱設計不那么嚴格，這種低效率仍然可以接受。 圖6顯示了全橋配置的充電和放電模式的波形。充電模式圖顯示零電壓導通，低電流關斷，運行效率高。波形也非常干凈，有低過沖開關，有助于消除EMI問題。
圖6: 22kW SiC DC/DC變換器的充放電模式 轉換器的效率值與逆變器參考設計相似，在大多數負載上的峰值效率為98.5%。在設計采用半橋模式之前，可變直流鏈路電壓和最終效率都保持在97%以上，這限制了充電時的效率和功率傳輸能力。一般來說，SiC MOSFET加上靈活的控制方案可以實現高效率（>98.5%的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L），支持單相AC和三相AC輸入的雙向充電。與硅Si相比，由于柵極驅動器的簡單性、熱管理組件、減少的部件數量和更小的磁性元件，它實現了更高的效率和功率密度，進而成本得以明顯降低。 總結Wolfspeed SiC的優勢 碳化硅器件使得如今的工業獲得極大發展，主要得益于其熱性能、更快的開關和更低的損耗。由于導通電阻對溫度的依賴性較低，MOSFET在較高溫度下的導通損耗較低，并能實現高頻開關。此外，高性能體二極管允許高可靠性的諧振變換器應用，而較小的輸出電容使LLC變換器實現零電壓導通變得容易。 圖7顯示了SiC對比硅Si器件（額定650V）在尺寸/重量上的獨特優勢。通常，硅器件需要一個變壓器和諧振電感，而SiC配置可以不用集成變壓器/電感，節省了重量和空間。
圖7: SiC和Si在尺寸和重量上的對比 在效率方面，中等負載的峰值為98.5%（如前面示例所示），但在輸入范圍的最大負載時，峰值大于97.5%。Wolfspeed SiC器件系列適應于應用的所有功率范圍，范圍從1千瓦到兆瓦不等，也可用于大功率模塊。Wolfspeed系列有低端的分立式解決方案、中功率級別的WolfPACK模塊和高端的大功率模塊解決方案，設計人員可以在降低BOM成本和優化物理尺寸/布局的同時，選擇多種拓撲和源流。功率模塊將最大限度地提高功率密度，簡化布局和配件（符合行業標準的占用空間），支持高功率系統的可擴展性，并在較低的勞力和元件成本下確保最高的效率和可靠性。 Wolfspeed提供了多種拓撲的參考設計和評估工具包，如AC/DC功率因數校正、降壓型/升壓型DC/DC、高頻DC/DC和雙向AC/DC、DC/DC和DC/AC工具包。SpeedFit設計模擬器有助于描述系統級電路的特征，為通用拓撲建模，并為你的電子應用選擇合適的SiC器件。 無論是使用分立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業的儲能應用，SiC都顯示出了巨大的商機，Wolfspeed的組合/資源可以在確保低成本、小空間的同時實現最靈活、可擴展、高性能的設計。 |
