Wolfspeed是碳化硅（SiC）功率器件技術的全球領導者。他們在這一領域擁有數十年的經驗，現在擁有世界上第一個也是最大的200毫米SiC器件晶圓廠，以及SiC基板和外延生長制造設施。Wolfspeed SiC 產品涵蓋一系列功率范圍，從使用600至1.7kV分立器件產品時的5-10kW應用，到額定電壓為3.3kV至10kV的半橋功率模塊，可用于兆瓦級能量轉換應用。

圖1：Wolfspeed的SiC 產品所涵蓋的功率范圍

Wolfspeed的SiC功率器件目前廣泛用于電源、電池充電和牽引驅動的電池電動汽車 （BEV）功率轉換、工業電機驅動以及太陽能和風能逆變器等可再生能源發電系統等應用。

SiC還支持未來的應用，例如：

大規模可再生能源使用和儲能

中壓（>2kV）工業驅動器、火車、電網功率轉換

電動飛機

快速充電

讓我們更詳細地看一下與儲能相關的一些具體應用示例，SiC在圖1所示的功率譜中支持儲能。

面向太陽能和電動汽車的住宅儲能解決方案（ESS）

在每個家庭中都有一個ESS以利用可再生能源，并與該家庭使用的電動汽車進行雙向連接，這是許多國家正在推動的未來趨勢。這里的目標是僅在必要時使用電網電源。在住宅太陽能應用中，功率水平通常為<15kW，電壓在90-240V范圍內。例如，房屋屋頂上的太陽能電池板將提供直流電為直流儲能電池（ESS）充電，連接到ESS的微型逆變器為家庭供電或返回電網。因此，需要雙向性。一些關鍵要求是尺寸、容量、效率和成本。與基于Si的電池充電器相比，基于SiC的ESS電池充電器具有許多優勢。圖2顯示了一個具體示例，其中含有一個交流供電的15-20kW充電器模塊。

圖2：15kW Si IGBT和Wolfspeed 20kW SiC ESS電池充電器在（a）尺寸和（b）系統成本方面的比較。

例如，對于功率為100kW或更高的EV電池進行車載外充電，電壓水平可以是400V，在這種情況下，可以使用模塊功率單元。與Si IGBT示例相比，更緊湊、更高效的SiC解決方案效率提高了1-2%，功率密度提高了35-50%。整體系統成本更低，因為較高的SiC開關頻率降低了無源器件的尺寸和成本，而在整個溫度范圍內改進的導通電阻降低了傳導損耗。

工業太陽能MPPT升壓組串逆變器

圖3所示的示例是一個60kW MPPT（最大功率點跟蹤）升壓+組串逆變器，可用于工業能源應用。這里的直流電壓水平可能要高得多，例如：800–1500V，這在減少布線損耗方面具有優勢。

圖3：60kW Si IGBT和Wolfspeed 50 kW SiC MPPT升壓太陽能串逆變器的比較

這里比較的Si IGBT開關頻率為10-15kHz，因此需要大升壓電感器，而SiC的開關頻率為75–100kHz。基于SiC的系統在提高功率轉換效率的同時，提供了高達3倍的尺寸優勢和10倍的重量減輕。這種尺寸/重量優勢可以大大降低安裝成本。在公用事業規模級別，可以擁有一堆這樣的組串式逆變器來轉換MW級功率，這將安裝成本優勢進一步放大。

用以下等式表示ESOI（投資能源節省的能源）：

ESOI=在整個使用生命周期內節省的能源/生產碳化硅MOSFET與硅IGBT的邊際能源成本

它表明，盡管SiC制造更復雜，使用更多的能量，但根據位置陽光較多的地方，計算的ESOI數為55至77，具體取決于位置（陽光較多的地方的數字更高）。這意味著每年可節省100kWh的能源，凸顯了提高能源效率在此類應用中的關鍵作用。

不間斷電源/儲能充電系統

在本例中，考慮了圖4所示的200kW UPS系統。它由放置在DC-DC轉換器之間的逆變器/整流器組成。這里比較的Si IGBT開關頻率為8kHz，而Wolfspeed的SiC功率模塊的開關頻率為25kHz。逆變器和DC-DC級使用SiC的效率都明顯提高，從而將開關損耗總體降低40.4%，冷卻量減少42%。所需的電感可以減少37%，而直流鏈路電容器可以從2322μF降低到740μF。

圖4：200kW硅IGBT和Wolfspeed UPS/ESS充電器系統的比較

中壓（MV）并網太陽能逆變器

Wolfspeed生產的高壓/大功率SiC模塊使得公用事業規模的太陽能直接連接到電網，例如在9-13.8kV的MV電網。在此功率/電壓范圍內工作的基于SiC的固態變壓器（SST）可以以高達10kHz的頻率進行切換。相比之下，傳統硅解決方案可能達到幾百Hz。更高的頻率可顯著減小電感器/隔離變壓器的尺寸。

圖5：采用Wolfspeed SiC產品的2MVA并網太陽能逆變器

適配中壓電網的商用DCFC

最后，讓我們看一個未來可能會廣泛使用的例子，因為電動汽車的采用在未來幾年加速。直流快速充電（DCFC）可在新的800V電池總線電壓下顯著縮短充電時間。圖6顯示了Wolfspeed基于6.5kV SiC模塊的SST充電器示例，該充電器可以連接到MV電網并具有自己的能量存儲。該模塊可以在高達20kHz的頻率下進行開關，因此與通常用于這些電壓的低頻變壓器相比，具有顯著的尺寸和重量優勢。這里考慮的500kW充電器表明，通過消除60Hz變壓器以及減少布線和冷卻要求，成本降低了40%。該系統可以比基于硅的解決方案小75%以上，并在4分鐘內為電動汽車電池充滿電。

圖6：（a）連接到中壓電網的500kW DCFC電動汽車充電器原理圖和（b）性能比較。

從以上實例可以看出，SiC功率解決方案是未來綠色能源生產和存儲應用的重要使能組件。Wolfspeed廣泛的碳化硅功率產品，以及其大批量生產能力，使其完全有能力成為該領域的主要供應商。

審核編輯 ：李倩