【導讀】人們普遍認識到，碳化矽（SiC）現在作為一種成熟的技術
，在從瓦特到兆瓦功率範圍的很多應用中改變了電力行業，覆蓋工業
、能源和汽車等眾多領域。這主要是由於它比以前的矽（Si）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的de應ying用yong具ju有you更geng多duo優you勢shi
，包bao括kuo更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv，更geng低di的de工gong作zuo溫wen度du，更geng高gao的de電dian流liu和he電dian壓ya容rong量liang，以yi及ji更geng低di的de損sun耗hao，進jin而er可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de功gong率lv密mi度du，可ke靠kao性xing和he效xiao率lv。得de益yi於yu更geng低di的de溫wen度du和he更geng小xiao的de磁ci性xing元yuan件jian，熱re管guan理li和he電dian源yuan組zu件jian現xian在zai尺chi寸cun更geng小xiao
，重zhong量liang更geng輕qing，成cheng本ben更geng低di
，從cong而er降jiang低di了le總zong BOM 成本，同時也實現了更小的占用空間。

SiC 已yi經jing是shi一yi種zhong成cheng熟shu的de技ji術shu
，並bing成cheng為wei需xu要yao電dian力li傳chuan輸shu係xi統tong的de一yi種zhong非fei常chang常chang見jian的de解jie決jue方fang案an，特te別bie是shi在zai儲chu能neng應ying用yong中zhong，如ru電dian動dong汽qi車che充chong電dian和he附fu加jia電dian池chi的de太tai陽yang能neng係xi統tong。這zhe些xie係xi統tong一yi般ban包bao含han幾ji個ge應ying用yong SiC 技術的器件，如 DC/DC 升壓轉換器
，雙向逆變器（交流電和直流電互相轉換），和靈活的電池充電電路。簡而言之，SiC 使係統效率提高了 3%
，功率密度提高了 50%，並減少了無源元件的體積和成本。

大多數儲能係統（ESS）都有多個能源轉換步驟
，可以從 SiC 器件中獲益。Wolfspeed 提供了多種封裝的器件，如肖特基二極管 / MOSFET（具有高達 100 A 額定電流封裝 / 196 A 裸片封裝）和 WolfPACK 係列器件中所使用的具有高達 450 A 額定電流的功率模塊。無論是單相家用係統（5 - 15 kW）還是三相商用係統（30 - 100 kW）
，其架構和電源電路拓撲基本相似；但是它們可以根據功率級別進行調整。

圖1 為一個典型的 ESS 架構
，包含了電源（光伏 PV
，值得注意的是， 這個應用可以使用任何替代能源替換）
， DC/DC 轉換器，電池充電機，把能量輸送到家庭端或輸送回電網的逆變器。這種配置下的三個電源模塊中，SiC 可以提高效率，減少尺寸、重量和成本。

圖 1：家用或商用的 ESS 配置

#1 SiC 在 ESS 電源模塊中的優勢

如上所示
，當對收集到的能源進行轉換並將其用於存儲或為住宅/建築供電時，涉及到幾個能源轉換步驟。DC/DC 轉換通常由一個用於光伏應用的升壓變換器實現

，這時更高的係統效率和功率密度會發揮更大作用。與 Si 等傳統技術相比
，SiC 技術的獨特優勢包括係統尺寸減少 70%，能源消耗減少 60% 以上

，係統成本降低 30% 之多。

圖 2 為基於 SiC 的 60 kW 交錯升壓變換器（來自 Wolfspeed 參考設計 CRD-60DD12N）的示例
，其中包含幾個 SiC MOSFET 和二極管。四路交錯並聯幫助調節輸出功率高達 60 kW，同時在輸出 850 VDC 時保持 99.5% 的效率。該設計包含兩個 C3M0075120K MOSFET（帶開爾文源極引腳的 TO-247-4L 封裝），每路拓撲有兩個 C4D10120D 二極管和一個 CGD15SGOOD2 隔離式柵極驅動器。

圖 2：基於 SiC 的 60 kW 交錯升壓變換器的參考設計

在上圖的參考設計中，對不同開關頻率下的 BOM 成本進行了分析/對比。在更高的頻率下（100 kHz 相對於 60 kHz），得益於更小、更輕的組件/磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)，成(cheng)本(ben)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)，而(er)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)可(ke)能(neng)會(hui)由(you)於(yu)更(geng)高(gao)的(de)運(yun)行(xing)溫(wen)度(du)而(er)增(zeng)加(jia)一(yi)些(xie)成(cheng)本(ben)。但(dan)總(zong)的(de)來(lai)說(shuo)，更(geng)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)通(tong)常(chang)意(yi)味(wei)著(zhe)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)、更高的係統效率和更低的成本。這就是為何 SiC 能夠以更低的價格提供更好的性能。

另一個 Wolfspeed 參考設計（圖3）突出了 SiC 在逆變器和 DC/DC 充電電路中的優勢。該設計在單相或三相模式下運行，充電和放電的峰值效率大於 98.5%。變換器部分包括一個簡單兩電平 AC/DC 變換器
，兼容單相和三相連接，並且隻有 6 個 SiC MOSFET。這種應用不像大多數的 IGBT 轉換器那樣成本低廉，但會在效率和損耗方麵表現得更好。雖然 T 型 AC/DC 變換器提供了相似的開關頻率和效率，但它往往擁有複雜的控製係統和更多數量的部件與較低的功率密度。

圖 3：采用 SiC MOSFET 的簡單兩電平逆變器 / AFE

在上圖的設計中，直流輸出電壓可以高達 900 V

，而電池電壓通常在 800 V 左右。受電熱應力的影響，Wolfspeed 公司的 C3M0032120K 1200 V 32 mΩ SiC MOSFET 是非常合適的，因為它具有一流的品質因數
、易於控製和 Vgs 驅動特性
、開爾文源極封裝等優點，可以減少開關損耗和串擾等問題。

這種拓撲結構適合於可實現不同功能的先進數控方案
，如單相交錯 PFC 方案或基於 DQ 變換的三相空間矢量 PWM 方案，這些方案可以達成所有器件開關損耗的平衡，進而形成一個非常靈活的參考平台。利用 PWM 控製開關有助於檢測和功耗平衡，同時優化熱性能，提高效率和可靠性。

在測試、測量各種負載下的效率和單相充電的電壓範圍時
，結果表明，SiC 的效率高達 98.5%，而 IGBT 的最高效率為 96%
， 因此 SiC 的損耗降低約 38%。圖 4 顯示了在不同功率水平下充電和放電的 AFE 的兩組圖表。

圖 4：在多個功率級別下

充電（左）和放電（右）模式的 AFE 效率

三相充電實現了相同的峰值效率，同時在係統和設備限製下熱性能也運行良好。盡管 T 型拓撲也可以達到類似的性能，但它通常更複雜，成本更高。

對 22 kW 逆變器 / AFE 配置總結一下，C3M0032120K SiC MOSTET 和靈活的控製方案可以實現高效率（>98.5%），高功率密度（4.6 W/L），低損耗（60%），以及雙向工作
，支持來自三相 AC 和單相 AC 輸入，也支持輸出 200 - 800 VDC 的電池電壓範圍。

#2 SiC 在 DC/DC 電池充電電路中的優勢

很多拓撲支持隔離型 DC/DC 轉換器。然而，最主流的解決方案是半橋 LLC 和全橋 LLC 轉換器。參考設計（Wolfspeed 的 CRD-22DD12N）展示了一種 22 kW 的解決方案，可配置在級聯變換器或單個兩級變換器。級聯變換器可以使用 650V Si MOSFET 或 SiC 器件
，但通常會需要更多數量的部件，更高的導通損耗，更複雜的控製，以及更高的係統成本。使用 SiC 器件的單級兩電平變換器可在更高的電壓（1200 V）和高達 200 kHz 的開關頻率下工作。SiC 基的最大優勢是更高的效率/更低的損耗，並具有一些額外的特性，如零電壓導通、低電流關斷和更低的電磁幹擾 EMI 風險。這種拓撲結構比級聯變換器的部件數更少，有助於降低係統成本
，提供更簡單的控製。圖 5 展示了這兩種拓撲的差異。

圖 5：22 kW 全橋 CLLC DC/DC 變換器 

- 級聯（左）和單級兩電平（右）

當考慮 22 kW 設計的功率元件時，再次證明了 C3M0032120K 1200V 32mΩ MOSFET 提供了最佳的電應力和熱特性來配適轉換器。此外，它的 Vgs 可以支持 15 V，使之更易驅動。可變直流鏈路電壓控製（基於感知的電池電壓）使係統效率達到最佳，並確保 CLLC yunxingjiejinxiezhenpinlv。dangdianchidianyajiaodishi，kongzhiqiehuandaoxiangyimoshi，zheyangjiujiangdilezengyi，fangzhizaixiezhenpinlvfanweiwaidixiaodiyunxing。zheyiweizheshiyongxiangtongdeyingjianyekeyizaijiaodideshuchudianyaxiashixianleisidegaoxiaolv。ruguoxuyaogengdidedianchidianya，CLLC 原邊可以作為半橋運行，這進一步降低了增益

，但保持了效率區。由於運行成本較低，熱設計不那麼嚴格，這種低效率仍然可以接受。

圖 6 顯(xian)示(shi)了(le)全(quan)橋(qiao)配(pei)置(zhi)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)模(mo)式(shi)的(de)波(bo)形(xing)。充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)圖(tu)顯(xian)示(shi)零(ling)電(dian)壓(ya)導(dao)通(tong)，低(di)電(dian)流(liu)關(guan)斷(duan)，運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)高(gao)。波(bo)形(xing)也(ye)非(fei)常(chang)幹(gan)淨(jing)
，有(you)低(di)過(guo)衝(chong)開(kai)關(guan)
，有(you)助(zhu)於(yu)消(xiao)除(chu) EMI 問題。

圖 6：22 kW SiC DC/DC變換器的充放電模式

轉換器的效率值與逆變器參考設計相似，在大多數負載上的峰值效率為 98.5%。在設計采用半橋模式之前，可變直流鏈路電壓和最終效率都保持在 97% 以上
，這限製了充電時的效率和功率傳輸能力。一般來說，SiC MOSFET 加上靈活的控製方案可以實現高效率（>98.5% 的充電/放電效率）和高功率密度（8 kW/L）
，支持單相 AC 和三相 AC 輸入的雙向充電。與 Si 相比，由於柵極驅動器的簡單性
、熱管理組件、減少的部件數量和更小的磁性元件
，它實現了更高的效率和功率密度，進而成本得以明顯降低。

 #3 總結 Wolfspeed SiC 的優勢

碳化矽器件使得如今的工業獲得極大發展，主要得益於其熱性能
、更快的開關和更低的損耗。由於導通電阻對溫度的依賴性較低，MOSFET 在較高溫度下的導通損耗較低，並能實現高頻開關。此外，高性能體二極管允許高可靠性的諧振變換器應用，而較小的輸出電容使 LLC 變換器實現零電壓導通變得容易。

圖 7 顯示了 SiC 對比 Si 器件（額定 650 V）在尺寸/重量上的獨特優勢。通常
，矽器件需要一個變壓器和諧振電感

，而 SiC 配置可以不用集成變壓器/電感
，節省了重量和空間。

圖 7：SiC 和 Si 在尺寸和重量上的對比

在效率方麵，中等負載的峰值為 98.5%（如前麵示例所示），但在輸入範圍的最大負載時，峰值大於 97.5%。Wolfspeed SiC 器件係列適應於應用的所有功率範圍
，範圍從 1 千瓦到兆瓦不等，也可用於大功率模塊。Wolfspeed 係列有適合低應用的分立式解決方案、適合中功率級別的 WolfPACK 模塊、以及適合高端的大功率模塊解決方案，設計人員可以在降低 BOM 成本和優化物理尺寸 / 布局的同時，選擇多種拓撲和源流。功率模塊將最大限度地提高功率密度，簡化布局和配件（符合行業標準的占用空間），支持高功率係統的可擴展性
，並在較低的勞力和元件成本下確保最高的效率和可靠性。

Wolfspeed 提供了多種拓撲的參考設計和評估工具包，如 AC/DC 功率因數校正、降壓型/升壓型 DC/DC
、高頻 DC/DC 和雙向 AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 工具包。SpeedFit 設計模擬器有助於描述係統級電路的特征
，為通用拓撲建模，並為你的電子應用選擇合適的 SiC 器件。

無論是使用分立式模塊還是大功率模塊，從住宅到工業的儲能應用，SiC 都顯示出了巨大的商機，Wolfspeed 的組合/資源可以在確保低成本、小空間的同時實現最靈活、可擴展、高性能的設計。

來源：Wolfspeed

英文原稿，敬請訪問：

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/the-value-of-using-sic-in-energy-storage-systems-ess/

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