【技術(shù)干貨】具有更高效率與優(yōu)勢的碳化硅技術(shù)

當(dāng)前的SiC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以適用在從千瓦到兆瓦功率的工業(yè)應(yīng)用范圍中，影響了能源、工業(yè)和汽車等眾多領(lǐng)域。由于SiC器件運(yùn)作時的溫度較低，及較小的磁性器件，因此在系統(tǒng)中所需的熱管理和電源器件的尺寸更小、重量更輕、成本更低，從而降低了整體BOM成本，同時也實(shí)現(xiàn)了更小的占用空間。

隨著SiC技術(shù)的快速發(fā)展，在電力傳輸系統(tǒng)也開始大量采用SiC解決方案，特別在ESS應(yīng)用中，像是電動汽車充電系統(tǒng)，以及利用電池儲存電能的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器、雙向逆變器（交流電和直流電互相轉(zhuǎn)換）、電池充電電路，都可以采用SiC技術(shù)的器件，將可提升3%的系統(tǒng)效率，以及提高50%的功率密度，并減少無源器件的體積和成本。

典型的ESS架構(gòu)將包含了電源（光伏）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池充電機(jī)，以便將能量輸送到家庭端或輸送回電網(wǎng)的逆變器，在這三個電源模塊中采用SiC技術(shù)，將可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。

例如，在ESS中對收集到的能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將其用于存儲或?yàn)樽≌ㄖ╇姇r，必須進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，其將采用光伏應(yīng)用的升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，SiC技術(shù)將比傳統(tǒng)的硅技術(shù)具有更高的系統(tǒng)效率和功率密度，其系統(tǒng)尺寸將可減少70%，能源消耗也可減少60%以上，系統(tǒng)成本則將會降低30%，使SiC技術(shù)成為ESS應(yīng)用的最佳選擇。

家用或商用的ESS配置

Wolfspeed針對ESS應(yīng)用，推出了多款的SiC解決方案，像是肖特基二極管及MOSFET（具有高達(dá)100A額定電流封裝／196-A裸模封裝），以及WolfPACK系列器件中所使用的具有高達(dá)450A額定電流的功率模塊。這些產(chǎn)品可以適用于單相家用系統(tǒng)（5-15 kW），也可用于三相商用系統(tǒng)（30-100 kW），其架構(gòu)和電源電路拓?fù)浠鞠嗨疲撬鼈兛梢愿鶕?jù)功率級別來進(jìn)行調(diào)整。

以Wolfspeed參考設(shè)計(jì)CRD-60DD12N為例，這是一款采用碳化硅技術(shù)的60kW交錯升壓轉(zhuǎn)換器，其中包含幾個SiC MOSFET和二極管。在架構(gòu)上采用四路交錯并聯(lián)，可達(dá)到60kW的調(diào)節(jié)輸出功率，并同時在輸出850V_DC時保持99.5%的效率。該設(shè)計(jì)包含兩個C3M0075120K MOSFET（具備開爾文源極引腳的TO-247-4L封裝），每路拓?fù)溆袃蓚€C4D10120D二極管和一個CGD15SGOOD2隔離式柵極驅(qū)動器。

在CRD-60DD12N參考設(shè)計(jì)中，若對不同開關(guān)頻率下的BOM成本進(jìn)行了分析／對比，其在更高的頻率下（100kHz相對于60kHz），將得益于更小、更輕的器件／磁性材料，成本明顯降低，而冷卻系統(tǒng)可能會由于更高的運(yùn)行溫度而增加一些成本。但總體來說，更高的頻率通常意味著更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率和更低的成本，因此SiC技術(shù)將能夠以更低的價(jià)格提供更好的性能。

在應(yīng)用SiC MOSFET進(jìn)行簡單的兩階逆變器／AFE設(shè)計(jì)時，Wolfspeed的參考設(shè)計(jì)可在單相或三相模式下運(yùn)行，充電和放電的峰值效率大于98.5%，突出了SiC在逆變器和DC/DC充電電路中的優(yōu)勢。該參考設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器部分包括一個簡單兩階AC/DC轉(zhuǎn)換器，兼容單相和三相連接，并且只有6個SiC MOSFET。這種配置雖然不像大多數(shù)的IGBT轉(zhuǎn)換器那樣成本低廉，但會在效率和損耗方面表現(xiàn)得更好。雖然也可以采用T型AC/DC轉(zhuǎn)換器，來提供了相似的開關(guān)頻率和效率，但這種轉(zhuǎn)換器往往擁有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，并必須采用更多數(shù)量的部件，且其功率密度較低。

在這個參考設(shè)計(jì)中，直流輸出電壓可以高達(dá)900 V，而電池電壓通常在800 V左右。由于電及熱應(yīng)力的影響，非常適合采用Wolfspeed公司的C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET，其具有一流的品質(zhì)因子、易于控制和V_gs驅(qū)動特性、開爾文源極封裝等優(yōu)點(diǎn)，可以減少開關(guān)損耗和串?dāng)_等問題。

采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于實(shí)現(xiàn)不同功能的先進(jìn)數(shù)字控制方案，像是用于設(shè)計(jì)單相交錯PFC方案，或是采用DQ轉(zhuǎn)換的三相空間向量PWM方案，這些方案可以達(dá)成所有器件開關(guān)損耗的平衡，進(jìn)而形成一個非常靈活的參考平臺。利用PWM控制開關(guān)將有助于檢測和功率消耗平衡，同時優(yōu)化熱性能，提高效率和可靠性。在單相充電的不同電壓、電流范圍，測量各種負(fù)載下的效率時，SiC的效率將高達(dá)98.5%，而IGBT的最高效率為96%，因此SiC的損耗降低約38%。在三相充電時，實(shí)現(xiàn)了相同的峰值效率，同時在系統(tǒng)和器件限制下的熱性能也運(yùn)行良好。

總體來說，在22kW逆變器／AFE的配置下，C3M0032120K SiC MOSTET和靈活的控制方案可以實(shí)現(xiàn)高效率（>98.5%），以及高功率密度（4.6 kW/L），并具備低損耗（60%），以及雙向充電等特性，可支持來自三相AC和單相AC輸入，也支持輸出200-800 V_DC的電池電壓范圍。

在進(jìn)行隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時，主流的解決方案是半橋LLC和全橋LLC轉(zhuǎn)換器。Wolfspeed的CRD-22DD12N參考設(shè)計(jì)是一種22kW的解決方案，可配置成串級轉(zhuǎn)換器或單級兩階轉(zhuǎn)換器之中。串級轉(zhuǎn)換器可以使用650V Si MOSFET或SiC器件，但Si MOSFET通常會需要更多數(shù)量的部件，更高的導(dǎo)通損耗，更復(fù)雜的控制，以及更高的系統(tǒng)成本。使用SiC器件的單階兩電平轉(zhuǎn)換器可在更高的電壓（1200 V）和高達(dá)200 kHz的開關(guān)頻率下工作。SiC架構(gòu)的最大優(yōu)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(dǎo)通、低電流關(guān)斷和更低的電磁干擾EMI風(fēng)險(xiǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比串級轉(zhuǎn)換器的部件數(shù)更少，有助于降低系統(tǒng)成本，提供更簡單的控制。

22kW全橋CLLC DC/DC轉(zhuǎn)換器-串聯(lián)式（上）

和單級兩電平（下）