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基于碳化硅系統(tǒng)支持的趨勢

國晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC ? 來源:國晶微第三代半導(dǎo)體碳化 ? 作者:國晶微第三代半導(dǎo) ? 2022-10-13 10:53 ? 次閱讀

推動(dòng)電動(dòng)汽車市場的綠色意識(shí)和法規(guī)推動(dòng)了電池技術(shù)和碳化硅設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,以改變綠色能源的產(chǎn)生。

現(xiàn)在,對可再生能源擴(kuò)張的需求至關(guān)重要。日益增加的氣候多變性,近期的化石燃料供應(yīng)鏈問題以及長期有限的化石燃料資源面臨不斷增長的能源需求,已經(jīng)使天平向有利于區(qū)域綠色能源的方向傾斜。

顯著提高可再生能源(尤其是太陽能和風(fēng)能)的投資回報(bào)率(ROI),意味著提高儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不斷增長的電動(dòng)汽車(EV)市場加速了電池技術(shù)和碳化硅器件的創(chuàng)新,現(xiàn)在可以使用解決方案來幫助實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

國際能源署(IEA)估計(jì),到2022年,可再生能源產(chǎn)能將增加8%,達(dá)到300吉瓦。該機(jī)構(gòu)稱,引領(lǐng)可再生能源復(fù)興的是太陽能光伏發(fā)電,它將占全球可再生能源容量增長的60%。這種增長的背后有幾個(gè)原因,包括一些挑戰(zhàn)的逐步解決。

太陽能電池板和相關(guān)電子設(shè)備已經(jīng)變得更加高效,同時(shí)相對于化石燃料的成本也更低,并且速度比風(fēng)能和水力發(fā)電更快。全球各國政府正在通過商業(yè)激勵(lì)措施和監(jiān)管支持來加強(qiáng)這一點(diǎn)。

風(fēng)能和太陽能發(fā)電的特征間歇性,由于氣候變異性2而惡化,可以通過增加ESS來緩解。電池技術(shù)的改進(jìn)提供了容量擴(kuò)展和成本的降低,而基于碳化硅的設(shè)計(jì)使這些系統(tǒng)更加高效。

太陽能光伏發(fā)電的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是其廣泛的可擴(kuò)展性,從住宅應(yīng)用中的幾千瓦到公用事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電場的兆瓦。與在非常高的功率和昂貴的公用事業(yè)規(guī)模投資下最可行的風(fēng)能和水力發(fā)電不同,太陽能適合各種系統(tǒng)配置。

太陽能建筑通常分為三種配置。在住宅層面,微型逆變器支持1-4個(gè)面板塊。組串式逆變器將面板集群從幾千瓦到約50千瓦。從50 kW到200 kW,一體化的燈串可服務(wù)于商業(yè)和工業(yè)安裝。兆瓦范圍內(nèi)的公用事業(yè)規(guī)模安裝使用大型集中式系統(tǒng),但現(xiàn)在經(jīng)常選擇基于分布式串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以減少安裝時(shí)間和成本以及點(diǎn)故障和整體維護(hù)成本的影響。

最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)是一種DC-DC升壓電路,它從面板陣列中獲取變化的電壓,并為內(nèi)部總線提供恒定的較高電壓(圖1)。然后,更穩(wěn)定的直流電由逆變器轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)交流電。在ESS實(shí)現(xiàn)中,雙向DC-DC降壓-升壓電路充當(dāng)電池充電器。如果需要從電網(wǎng)對ESS進(jìn)行充電,逆變器也需要是雙向的。

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碳化硅技術(shù)助推

碳化硅適合這種應(yīng)用,從升壓/MPPT DC-DC、雙向逆變器或有源前端(AFE)以及ESS充電/放電電路中的雙向DC-DC中的低1 kW到大于1 MW配置。與硅相比,它提供了許多優(yōu)點(diǎn):

在大多數(shù)應(yīng)用中,開關(guān)頻率高出3倍

系統(tǒng)效率提高約2%,損耗降低約40%

功率密度提高多達(dá)50%(體積小3倍,重量減輕10倍)

更小的無源器件和散熱器

降低系統(tǒng)總BOM成本

雖然碳化硅肖特基二極管長期以來一直用于MPPT升壓電路以提高效率,但現(xiàn)在更廣泛地采用帶有MOSFET的全碳化硅實(shí)現(xiàn)。例如,Wolfspeed的CRD-60DD12N 15 kW x 4通道升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)可提供99.5%的能效和78 kHz的開關(guān)頻率。與硅片相比,這種設(shè)計(jì)可提高1-2%的能效或約70%的損耗,3倍的功率密度和10倍的重量。所有這些性能都以更低的系統(tǒng)實(shí)施成本實(shí)現(xiàn)。

碳化硅對AFE部分也有類似的影響。六開關(guān)硅IGBT實(shí)現(xiàn)通常用于其相對較低的成本和簡單性(圖2)。然而,其開關(guān)頻率被限制在最大約20 kHz,并且在高功率水平下,明顯低于該頻率。采用硅超級結(jié)(SJ)器件的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)人員能夠通過高頻開關(guān)和良好的系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)所需的高電壓電平,但代價(jià)是復(fù)雜的控制以及由附加開關(guān)以及相關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的器件數(shù)量和BOM成本顯著增加。

在ESS領(lǐng)域,電動(dòng)汽車市場已經(jīng)影響了電池存儲(chǔ)趨勢,允許使用200V的電池組,并可能向800-1000V發(fā)展。這些高電壓需要在雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用高壓器件。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在復(fù)雜的多電平諧振拓?fù)渲惺褂贸R姷?50 V SJ器件,在這些拓?fù)渲校鑼㈤_關(guān)頻率限制在80 kHz和120 kHz之間。相反,更簡單的全碳化硅實(shí)現(xiàn),如CRD-22DD12N 22 kW雙向DC-DC充電器,可以實(shí)現(xiàn)約200 kHz的諧振頻率,同時(shí)降低器件數(shù)量和整體系統(tǒng)成本。

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將基于碳化硅的雙向AFE和DC-DC充電器相結(jié)合,可帶來幾個(gè)系統(tǒng)級優(yōu)勢:

能量損失降低40%,從而實(shí)現(xiàn)

更低的系統(tǒng)溫度和更高的系統(tǒng)可靠性和使用壽命

更小的散熱器或可能消除主動(dòng)冷卻

系統(tǒng)級效率提高2%

功率密度提高50%

系統(tǒng)成本降低多達(dá)18%

采用高功率碳化硅構(gòu)建的未來

基于碳化硅的系統(tǒng)支持了幾個(gè)關(guān)鍵的近期趨勢。太陽能世界正在向1500 V總線發(fā)展,這需要2 kV設(shè)備或復(fù)雜的多級拓?fù)洹T诩惺侥孀兤鲄^(qū)域,將需要2 kV或更高范圍內(nèi)的中高壓設(shè)備和功率模塊

在當(dāng)今的集中式逆變器中,碳化硅將提供單極開關(guān),而不是雙極開關(guān),帶來相同的效率、重量、尺寸和成本優(yōu)勢。這項(xiàng)新技術(shù)還將影響新的細(xì)分市場,包括固態(tài)變壓器、風(fēng)力發(fā)電和牽引。

審核編輯:彭靜
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原文標(biāo)題:碳化硅將綠色替代品拉入良性循環(huán)!

文章出處:【微信號:國晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC,微信公眾號:國晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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