隨著世界朝著可持續、更綠色的未來邁進，許多國家正在減少化石燃料發電，轉而使用可再生能源。2010 年至 2020 年間，新的公用事業規模太陽能光伏 (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能的典型途徑，2010 年至 2020 年期間，包括離網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。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電量增加 444 吉瓦/年，風能發電量增加 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節。如今，只需在能源連接、分配和存儲系統中將傳統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壓直流電，為儲能系統 (ESS) 充電，這有助于克服太陽能發電典型的功率波動。穩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) 控制器優化面板上的負載以實現最高能效。

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到公用事業規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成本實現更高的系統級效率和功率密度——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 模塊替換本節中用于串型逆變器的硅二極管和 MOSFET，設計人員可以將系統尺寸減小 70%，將系統效率提高 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

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要求差距，為從住宅到工業應用的 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 模塊開辟了多個現有和新興應用空間，包括并網逆變器、增壓器和牽引。

并網光伏逆變器

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

例如，這樣的 2-MVA 并網逆變器系統將包括以 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，并實現超過 98% 的 CEC 效率。

直流快充

傳統的快速充電器通常使用低頻變壓器，這會使整個系統重量增加數千磅。這種類型的 500-kVA 系統將是一個 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 固態變壓器的現代 500-kVA 快速充電器是一個 1,298 升、530 公斤的系統，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 分鐘的時間內實現完全充電，系統體積小 >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 模塊可以將運輸的年燃料消耗降低 1% 到 4%，并且在重型設備的驅動系統中，可以顯著節省驅動系統、冷卻和布線。

滿足廣泛應用范圍的額定值

Wolfspeed 提供涵蓋業界最廣泛應用功率規模的 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 年的經驗，數百萬個 MOSFET 和二極管在該領域運行數萬億小時。

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參考

1弗勞恩霍夫太陽能系統研究所。（2022 年）。“光伏報告。” bit.ly/393k3eo

2國際可再生能源署。（2022 年）。“2022 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