推動電動汽車市場的綠色意識和法規推動了電池技術和碳化硅設計的創新，以改變綠色能源的產生。

現在，對可再生能源擴張的需求至關重要。日益增加的氣候多變性，近期的化石燃料供應鏈問題以及長期有限的化石燃料資源面臨不斷增長的能源需求，已經使天平向有利于區域綠色能源的方向傾斜。

顯著提高可再生能源（尤其是太陽能和風能）的投資回報率（ROI），意味著提高儲能系統（ESS）的效率、容量、功率密度和成本效益。由于不斷增長的電動汽車（EV）市場加速了電池技術和碳化硅器件的創新，現在可以使用解決方案來幫助實現所有這些目標。

國際能源署（IEA）估計，到2022年，可再生能源產能將增加8%，達到300吉瓦。該機構稱，引領可再生能源復興的是太陽能光伏發電，它將占全球可再生能源容量增長的60%。這種增長的背后有幾個原因，包括一些挑戰的逐步解決。

太陽能電池板和相關電子設備已經變得更加高效，同時相對于化石燃料的成本也更低，并且速度比風能和水力發電更快。全球各國政府正在通過商業激勵措施和監管支持來加強這一點。

風能和太陽能發電的特征間歇性，由于氣候變異性2而惡化，可以通過增加ESS來緩解。電池技術的改進提供了容量擴展和成本的降低，而基于碳化硅的設計使這些系統更加高效。

太陽能光伏發電的一個關鍵優勢是其廣泛的可擴展性，從住宅應用中的幾千瓦到公用事業規模太陽能發電場的兆瓦。與在非常高的功率和昂貴的公用事業規模投資下最可行的風能和水力發電不同，太陽能適合各種系統配置。

太陽能建筑通常分為三種配置。在住宅層面，微型逆變器支持1-4個面板塊。組串式逆變器將面板集群從幾千瓦到約50千瓦。從50 kW到200 kW，一體化的燈串可服務于商業和工業安裝。兆瓦范圍內的公用事業規模安裝使用大型集中式系統，但現在經常選擇基于分布式串的拓撲結構，以減少安裝時間和成本以及點故障和整體維護成本的影響。

最大功率點跟蹤器（MPPT）是一種DC-DC升壓電路，它從面板陣列中獲取變化的電壓，并為內部總線提供恒定的較高電壓（圖1）。然后，更穩定的直流電由逆變器轉換為電網標準交流電。在ESS實現中，雙向DC-DC降壓-升壓電路充當電池充電器。如果需要從電網對ESS進行充電，逆變器也需要是雙向的。

碳化硅技術助推

碳化硅適合這種應用，從升壓/MPPT DC-DC、雙向逆變器或有源前端（AFE）以及ESS充電/放電電路中的雙向DC-DC中的低1 kW到大于1 MW配置。與硅相比，它提供了許多優點：

在大多數應用中，開關頻率高出3倍

系統效率提高約2%，損耗降低約40%

功率密度提高多達50%（體積小3倍，重量減輕10倍）

更小的無源器件和散熱器

降低系統總BOM成本

雖然碳化硅肖特基二極管長期以來一直用于MPPT升壓電路以提高效率，但現在更廣泛地采用帶有MOSFET的全碳化硅實現。例如，Wolfspeed的CRD-60DD12N 15 kW x 4通道升壓轉換器參考設計可提供99.5%的能效和78 kHz的開關頻率。與硅片相比，這種設計可提高1-2%的能效或約70%的損耗，3倍的功率密度和10倍的重量。所有這些性能都以更低的系統實施成本實現。

碳化硅對AFE部分也有類似的影響。六開關硅IGBT實現通常用于其相對較低的成本和簡單性（圖2）。然而，其開關頻率被限制在最大約20 kHz，并且在高功率水平下，明顯低于該頻率。采用硅超級結（SJ）器件的多電平拓撲結構使設計人員能夠通過高頻開關和良好的系統效率實現所需的高電壓電平，但代價是復雜的控制以及由附加開關以及相關器件驅動器驅動的器件數量和BOM成本顯著增加。

在ESS領域，電動汽車市場已經影響了電池存儲趨勢，允許使用200V的電池組，并可能向800-1000V發展。這些高電壓需要在雙向DC-DC轉換器中使用高壓器件。設計人員經常在復雜的多電平諧振拓撲中使用常見的650 V SJ器件，在這些拓撲中，硅將開關頻率限制在80 kHz和120 kHz之間。相反，更簡單的全碳化硅實現，如CRD-22DD12N 22 kW雙向DC-DC充電器，可以實現約200 kHz的諧振頻率，同時降低器件數量和整體系統成本。

將基于碳化硅的雙向AFE和DC-DC充電器相結合，可帶來幾個系統級優勢：

能量損失降低40%，從而實現

更低的系統溫度和更高的系統可靠性和使用壽命

更小的散熱器或可能消除主動冷卻

系統級效率提高2%

功率密度提高50%

系統成本降低多達18%

采用高功率碳化硅構建的未來

基于碳化硅的系統支持了幾個關鍵的近期趨勢。太陽能世界正在向1500 V總線發展，這需要2 kV設備或復雜的多級拓撲。在集中式逆變器區域，將需要2 kV或更高范圍內的中高壓設備和功率模塊。

在當今的集中式逆變器中，碳化硅將提供單極開關，而不是雙極開關，帶來相同的效率、重量、尺寸和成本優勢。這項新技術還將影響新的細分市場，包括固態變壓器、風力發電和牽引。