隨著世界朝著可持續(xù)、更綠色的未來邁進，許多國家正在減少化石燃料發(fā)電，轉而使用可再生能源。2010 年至 2020 年間，新的公用事業(yè)規(guī)模太陽能光伏 (PV) 項目的全球加權平均電力成本下降了 85%，陸上風電下降了 56%，海上風電下降了 48%。因此，可再生能源已成為幾乎所有國家增加能源產(chǎn)能的典型途徑，2010 年至 2020 年期間，包括離網(wǎng)在內的累計光伏裝置的年復合增長率達到 34% 。1

這種增長將隨著提高能源效率的增加而繼續(xù)。國際可再生能源機構 (IRENA) 的一份報告稱，將全球變暖限制在 1.5?C 將需要每年減少 36.9 吉噸的 CO 2排放量，并建議將太陽能光伏發(fā)電量增加 444 吉瓦/年，風能發(fā)電量增加 248 吉瓦/年。到 2050 年。IRENA 估計，可再生能源和能源效率的顯著提高可以為實現(xiàn)目標減排貢獻不少于 25%，而通過交通等應用的電氣化可以實現(xiàn)另外 20%。2

雖然對新型風力渦輪機設計和基于鈣鈦礦的太陽能電池的研究正在推動能量轉換效率的極限，但從發(fā)電到應用可再生能源之間的功率半導體鏈不再需要成為從太陽到車輪的薄弱環(huán)節(jié)。如今，只需在能源連接、分配和存儲系統(tǒng)中將傳統(tǒng)半導體技術替換為碳化硅，就可以獲得巨大的尺寸、重量、功率和成本優(yōu)勢。

電力電子鏈的高效率

對于 5 至 15 kW 住宅單相和 30 至 100 kW 商用三相架構，太陽能電池板陣列用于增加電壓并減少連接和電纜中的 I 2 R 損耗。光伏陣列電壓通常被提升到穩(wěn)壓直流電，為儲能系統(tǒng) (ESS) 充電，這有助于克服太陽能發(fā)電典型的功率波動。穩(wěn)壓直流提供給逆變器進行直流/交流轉換，而最大功率點跟蹤 (MPPT) 控制器優(yōu)化面板上的負載以實現(xiàn)最高能效。

Wolfspeed 提供的 SiC 器件適合該電力電子鏈中的每個階段，以及從住宅到輕型商業(yè)到公用事業(yè)規(guī)模的應用所需的功率水平。該公司的技術可幫助設計人員以更低的系統(tǒng)成本實現(xiàn)更高的系統(tǒng)級效率和功率密度——這些都是可再生能源市場的主要驅動因素（圖 1）。

直流/直流升壓

DC/DC 部分用于提升可變光伏面板電壓。通過用 Wolfspeed 的 SiC 模塊替換本節(jié)中用于串型逆變器的硅二極管和 MOSFET，設計人員可以將系統(tǒng)尺寸減小 70%，將系統(tǒng)效率提高 1%，同時將總體成本降低 30%。這是能夠使用更高開關頻率的直接結果，從而減少了電感器、電容器、濾波器和變壓器的尺寸、成本和封裝。

儲能系統(tǒng)

ESS 應用通過滿足 DC/DC 升壓/MPPT、雙向有源前端和直流電池充電器中硅留下的系統(tǒng)要求差距，為從住宅到工業(yè)應用的 SiC 實施提供了巨大的機會。

Wolfspeed 對其 SiC 解決方案的測試表明，系統(tǒng)效率提高了近 3%，功率密度提高了 50%，并且顯著降低了無源元件體積和無源 BOM 成本。

圖 1：Wolfspeed 提供適合電力電子鏈中每個階段的 SiC 器件，從 DC/DC 升壓到快速充電器——從太陽到車輪。

從 3.3 kV 到 20+ kV 的中高壓 (MV/HV) SiC MOSFET 模塊開辟了多個現(xiàn)有和新興應用空間，包括并網(wǎng)逆變器、增壓器和牽引。

并網(wǎng)光伏逆變器

借助中壓/高壓 SiC 器件，這些逆變器可以將太陽能發(fā)電場直接連接到電網(wǎng)，從而消除電力電子鏈中笨重、昂貴且有損耗的變壓器。這降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝、運營和場地成本。

例如，這樣的 2-MVA 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將包括以 40 kHz 運行的 Wolfspeed 1,700-V SiC 半橋模塊、40 kHz 的較小中頻變壓器和 10 kHz 的 Wolfspeed 10-kV SiC 模塊. 不包括變壓器，它的重量不到 1,000 磅，并實現(xiàn)超過 98% 的 CEC 效率。

直流快充

傳統(tǒng)的快速充電器通常使用低頻變壓器，這會使整個系統(tǒng)重量增加數(shù)千磅。這種類型的 500-kVA 系統(tǒng)將是一個 5,190 升、3,537-kg 的充電器，功率損耗大于 28-kW。

基于 Wolfspeed 的 6.5-kV SiC 和 >20-kHz 固態(tài)變壓器的現(xiàn)代 500-kVA 快速充電器是一個 1,298 升、530 公斤的系統(tǒng)，功率損耗為 11.25 千瓦。因此，基于 SiC 的直流快速充電器可以在不到 4 分鐘的時間內實現(xiàn)完全充電，系統(tǒng)體積小 >75%，重量輕 >85%，損耗降低 >60%，成本降低 >40%。

牽引力和機動性

MV/HV SiC 模塊可以將運輸?shù)哪耆剂舷慕档?1% 到 4%，并且在重型設備的驅動系統(tǒng)中，可以顯著節(jié)省驅動系統(tǒng)、冷卻和布線。

滿足廣泛應用范圍的額定值

Wolfspeed 提供涵蓋業(yè)界最廣泛應用功率規(guī)模的 SiC 分立器件和模塊（圖 2）。該公司的 MV/HV 解決方案，額定從 3.3-kV LM3 模塊到 6.5-kV MM3 和 10-kV XHV-9 模塊，可滿足上述應用的廣泛電壓、電流和隔離要求。

圖 2：Wolfspeed 的 SiC 產(chǎn)品組合為可再生能源應用提供了從不到 2 kW 到兆瓦級的功率可擴展性。

作為市場份額最大且不斷增長的垂直整合型 SiC 供應商，Wolfspeed 擁有超過 30 年的經(jīng)驗，數(shù)百萬個 MOSFET 和二極管在該領域運行數(shù)萬億小時。

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參考

1弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所。（2022 年）?！肮夥鼒蟾??！?bit.ly/393k3eo

2國際可再生能源署。（2022 年）?！?022 年世界能源轉型展望”。國際標準書號：978-92-9260-429-5。bit.ly/3x4Stpb

審核編輯 黃昊宇