【導讀】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。
SiC 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，SiC 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 提供了多種封裝的器件，如肖特基二極管 / MOSFET（具有高達 100 A 額定電流封裝 / 196 A 裸片封裝）和 WolfPACK 系列器件中所使用的具有高達 450 A 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 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
#1 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 SiC 的 60 kW 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 60 kW，同時在輸出 850 VDC 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 SiC 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（100 kHz 相對于 60 kHz），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 SiC MOSFET。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：采用 SiC 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 1200 V 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 22 kW 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。
#2 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 22 kW 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 5：22 kW 全橋 CLLC DC/DC 變換器
- 級聯（左）和單級兩電平（右）
當考慮 22 kW 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 15 V，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 6：22 kW 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 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。
#3 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 Si 器件（額定 650 V）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 系列有適合低應用的分立式解決方案、適合中功率級別的 WolfPACK 模塊、以及適合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。
來源：Wolfspeed
英文原稿，敬請訪問：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/the-value-of-using-sic-in-energy-storage-systems-ess/
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