碳化硅（SiC）技術比傳統硅（Si）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和其他技術更具優勢，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，從而提高功率密度、可靠性和效率。本文將介紹碳化硅的發展趨勢及其在儲能系統（ESS）中的應用，以及Wolfspeed推出的碳化硅電源解決方案。

SiC技術大大降低了儲能系統的成本，提高了效率

碳化硅已成為一項成熟的技術，正在改變電力行業在工業、能源和汽車領域的許多應用中，從瓦特到兆瓦。由于SiC器件在更低的溫度下運行，而磁性器件則更小，因此熱管理和功率元件現在變得更小、更輕、更便宜，從而降低了總BOM成本，同時也實現了更小的尺寸。

隨著碳化硅技術的快速發展，碳化硅解決方案也被廣泛應用于供電系統，特別是在儲能系統（ESS）應用中，如電動汽車充電系統和具有電池儲能的太陽能系統。這些系統中的DC/DC升壓轉換器、雙向逆變器（用于AC/DC和DC/AC轉換）和電池充電電路都可以從SiC技術中受益，從而使系統效率提高3%，功率密度提高50%，并減小無源元件的尺寸和成本。

典型的ESS架構，具有電源（光伏）、DC/DC轉換器、電池充電器和逆變器，用于將能量輸送到家庭或返回電網。所有三個電源模塊均采用SiC技術，從而提高了效率、尺寸、重量和成本。

例如，在將ESS中收集的能量轉換為存儲或輸送到家庭/建筑物時，通常使用用于太陽能光伏應用的DC/DC升壓轉換器。與傳統硅技術相比，SiC技術具有更高的系統效率和功率密度，使系統尺寸減小70%，能耗降低60%以上，系統成本降低30%，使SiC技術成為ESS應用的最佳選擇。

具有更高功率密度和系統效率的碳化硅解決方案

Wolfspeed推出了各種用于ESS應用的SiC解決方案，例如肖特基二極管/MOSFET（封裝額定電流高達100 A，裸片封裝額定電流高達196 A）和功率模塊，如WolfPACK系列器件所示，其額定電流高達450 A。這些產品可用于單相住宅系統（5-15 kW）或三相商業系統（30-100 kW）。架構和電源電路拓撲結構相似;但是，它們可以根據功率級別進行縮放。

以Wolfspeed CRD-60DD12N參考設計為例，它是一款基于SiC的60 kW交錯式升壓轉換器，包含多個SiC MOSFET和二極管。該架構采用四個交錯通道，有助于將輸出功率擴展到60 kW，同時在850 V電壓下保持99.5%的效率直流輸出。此設計包括兩個C3M0075120K MOSFET（采用帶有開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝）、每個通道兩個C4D10120D二極管和一個CGD15SGOOD2隔離式分立式柵極驅動器。

在CRD-60DD12N參考設計中，如果在不同的開關頻率下執行BOM成本分析/比較，盡管更高的工作溫度可能會增加冷卻成本，但由于使用更小、更輕的元件/磁性元件，因此可以在更高的頻率（100 kHz與60 kHz）下實現顯著的成本節約。然而，一般來說，更高的頻率會帶來更高的功率密度、更高的系統效率和更低的總體成本。因此，碳化硅技術有可能以更低的價格提供更好的性能。

支持高級數字控制方案的參考設計

對于采用SiC MOSFET的簡單兩電平逆變器/有源前端（AFE）設計，Wolfspeed的參考設計突出了逆變器和DC/DC充電電路的SiC優勢，它們可以在單相或三相模式下運行，b可實現充電和放電的峰值效率超過98.5%。此參考設計的轉換器部分由一個簡單的兩電平AC/DC轉換器組成，該轉換器與單相和三相連接兼容，僅使用6個SiC MOSFET。雖然這種配置可能不像大多數IGBT轉換器那樣低成本，但它在效率和損耗方面表現出色。另一方面，T型AC/DC轉換器可能提供相似的開關頻率和效率，但通常涉及復雜的控制、較高的器件數量和較低的功率密度。

在此參考設計中，直流母線電壓最高可達900V，而電池電壓通常保持在800V左右。由于電氣和熱應力，Wolfspeed的C3M0032120K 1200V 32mΩSiC MOSFET具有品質因數、易于控制和V等特點，非常適合此應用GS系列驅動特性和開爾文源封裝，可降低開關損耗和串擾。

這種拓撲結構支持具有不同功能的高級數字控制方案，例如單相交錯式PFC方案或三相DQ變換空間矢量PWM方案，可平衡所有器件中的開關損耗，使其成為高度靈活的參考平臺。利用每個開關的PWM控制有助于檢測和平衡功耗，同時優化熱性能、效率和可靠性。在單相充電的不同電壓和電流范圍內測量不同負載下的效率時，發現SiC的效率高達98.5%，而IGBT可能達到96%，因此SiC的損耗降低了約38%。三相充電也實現了類似的峰值效率，同時熱性能在系統和設備限制范圍內運行良好。

成本更低、可控性更強的隔離式DC/DC轉換器設計

在設計隔離式DC/DC轉換器時，最常用的解決方案是半橋和全橋LLC轉換器。Wolfspeed的CRD-22DD12N參考設計是一款22kW解決方案，可配置為級聯變頻器或單個兩電平變頻器。級聯轉換器可以使用650V Si MOSFET或SiC組件，但Si MOSFET通常具有更高的器件數量、更高的導通損耗、更高的控制復雜性和更高的系統成本。單電平轉換器使用SiC元件來提供更高的電壓（1,200 V），并以更高的頻率（200 kHz）進行開關。在這里使用SiC元件的主要優點是效率更高/損耗更低，以及一些附加功能，如零電壓導通、低電流關斷和更低的EMI風險。與級聯轉換器相比，單個兩電平轉換器的拓撲結構具有更少的部件數量，這有助于降低系統成本并簡化控制。

在考慮這種22kW設計的功率組件時，Wolfspeed的C3M0032120K 1,200V 32mΩMOSFET可提供適合轉換器的最佳電應力和熱特性。此外，其VGS系列可支持15 V，使其易于驅動。可變直流母線電壓控制（基于檢測到的電池電壓）可實現最佳系統效率，并確保CLLC在接近諧振頻率的情況下運行。當電池電壓較低時，控制模式切換到移相模式，從而降低增益，而不會在諧振頻率范圍之外低效地運行。

這樣，這意味著使用相同的硬件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，可以將CLLC初級設置為半橋，這進一步降低了增益，但仍能保持一定的效率。由于較低的運行成本和不那么嚴格的熱設計，這種較低的效率仍然是可以接受的。

該轉換器的效率結果與逆變器參考設計相似，在大多數負載范圍內的峰值效率為98.5%。在設計進入半橋模式之前，可變直流母線電壓和由此產生的效率保持在97%以上，這限制了充電期間的效率和功率傳輸能力。通常，使用SiC MOSFET和靈活的控制方案可實現高效率（>98.5%的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L）雙向充電器，支持單相和三相交流輸入。與硅相比，由于柵極驅動的簡單性，可以以更低的系統成本實現更高的效率和功率密度，從而減少熱管理組件、減少部件數量和更小的磁性元件。

碳化硅元件在工業應用方面受益匪淺，這主要是因為它們具有熱特性和更快的開關速度和更低的損耗。SiC MOSFET在較高溫度下表現出較低的導通損耗，因為導通電阻對溫度的依賴性較小，因此可實現高頻開關。此外，高性能體二極管可在諧振轉換器應用中實現高可靠性，而較小的輸出電容則更容易在LLC轉換器中實現零電壓開關。

另一方面，SiC的典型尺寸/重量優于Si組件（額定電壓為650 V）。通常，硅元件需要變壓器和諧振電感器，而SiC配置可以集成變壓器/電感器，這將節省重量和空間。

無論是使用分立式解決方案還是高功率模塊，碳化硅在從住宅到工業的儲能應用中都顯示出巨大的機會，能夠以低成本和小尺寸實現最靈活、可擴展、高性能的設計。在開發電源應用時，它將是您的最佳選擇之一。

審核編輯：湯梓紅