富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業(yè)的技術服務，為客戶打造個性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設計周期。在第三代半導體的實際應用領域，富昌電子結合自身的技術積累和項目經(jīng)驗，落筆于SiC相關設計的系列文章。希望以此給到大家一定的設計參考，并期待與您進一步的交流。

本文作為系列文章的第六篇，將針對ESS產(chǎn)品中SiC器件的應用做一些探討。

根據(jù)國際能源署（IEA）2019年10月的燃料報告，到2024年，可再生能源發(fā)電量將增長50%。該報告預測，可再生能源發(fā)電量其中增長的60％將采用太陽能光伏（PV）設備的形式。

有效利用太陽能產(chǎn)生有用的電能，需要仔細優(yōu)化采集、存儲和最終轉換為電能的每個階段。提高能效的最大機會之一是逆變器的設計，它將太陽能電池陣列 （或其電池存儲） 的直流輸出轉換為交流電流，以便直接使用或通過電網(wǎng)傳輸。

儲能系統(tǒng)的靈活性為大規(guī)模發(fā)電和輸電系統(tǒng)的高效和可靠運行提供了保障。儲能系統(tǒng)提高了電網(wǎng)運行的效率，減少了在電網(wǎng)高峰時期的局部電量擁塞造成線路損耗。還可以減少為滿足用電系統(tǒng)高峰需求而建造更多發(fā)電廠的需要。隨著越來越多的太陽能發(fā)電的使用，能源存儲與可再生能源的結合將有可能在未來十年改變我們生產(chǎn)、分配和使用能源的方式。這將推進太陽能光伏電站與儲能系統(tǒng)（ESS）集成的需求和大規(guī)模發(fā)展。

近 10 多年來，以碳化硅（SiC） 為代表的寬禁帶半導體器件，受到廣泛關注。SiC 材料具有 3 倍于硅材料的禁帶寬度，10 倍于硅 材料的臨界擊穿電場強度，3 倍于硅材料的熱導率， 因此 SiC 功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應用場合，且有助于電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度的提升。

SiC功率器件更優(yōu)于硅器件性能，包括它們能夠高速切換高壓和電流，損耗低，熱性能好。盡管目前它們可能比等效硅產(chǎn)品更昂貴（如果可以使用硅替代產(chǎn)品），但它們的系統(tǒng)級性能可以節(jié)省成本，使冷卻的復雜性得以優(yōu)化。

有一個關于轉換效率的預估：如果部署SiC可提高所有太陽能光伏系統(tǒng)的功率轉換效率，IEA預計到2024年就算僅安裝2%，也將多產(chǎn)生驚人的10GW發(fā)電量。

對于十kW到幾十kW的ESS，為了減少銅損耗，母線電壓通常設置在800V或更高；電壓的選擇是取決于系統(tǒng)的功率水平。

SiC MOSFET具有優(yōu)越的開關特性，目前在需要超過30kHz開關頻率和800V運行電壓的硬開關應用領域，還沒有可以與之競爭的開關器件。因此光伏升壓轉換器廣泛采用碳化硅二極管和MOSFET來提高功率轉換效率和增加開關頻率。

由于SiC MOSFET導通電阻對溫度的依賴性較低以及體二極管具有近零反向恢復的特性，使得SiC MOSFET是高效雙向Buck-Boost轉換器的理想開關，這為系統(tǒng)集成鋪平道路。這種集成不僅消除了對每個系統(tǒng)進行定制的需要，而且還將拓展其在電網(wǎng)直聯(lián)系統(tǒng)和離網(wǎng)系統(tǒng)或便攜式設備的應用范圍。

下圖是戶用ESS的示意圖（圖一、二）：

圖一 （Source：Infineon）

圖二 （Source：Infineon）

碳化硅器件在儲能系統(tǒng)的成功應用，將會改變儲能逆變器拓撲在市場中的格局， 并提升儲能逆變器的拓撲優(yōu)勢。開關頻率提高，減小了濾波器尺寸和輸入側直流母線的電容。甚至可以用小容值的薄膜電容取代大容值的電解電容，克服電解電容壽命短的問題。

碳化硅器件的低損耗和耐高溫性能優(yōu)勢使得散熱器的尺寸明顯減小。碳化硅 MOSFET 可以提高工作頻率、減小電流紋波、減小濾波器尺寸。

因此，新型碳化硅功率器件的優(yōu)勢給儲能系統(tǒng)帶來整機性能和成本上的優(yōu)勢，必將改變儲能系統(tǒng)的現(xiàn)有格局。碳化硅器件在儲能領域將得到更廣泛的應用。

富昌電子提供光伏系統(tǒng)用的各種高性能和高可靠性的碳化硅功率器件以及相關解決方案。同時，我們對客戶提供專業(yè)的應用支持，努力為客戶創(chuàng)造價值。讓我們攜手一起推動能源綠色低碳發(fā)展！