【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/cixingcailiao，chengbenmingxianjiangdi，erlengquexitongkenenghuiyouyugenggaodeyunxingwenduerzengjiayixiechengben。danzongdelaishuo，genggaodepinlvtongchangyiweizhegenggaodegonglvmidu、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 運(yun)行(xing)接(jie)近(jin)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)。當(dang)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)較(jiao)低(di)時(shi)，控(kong)製(zhi)切(qie)換(huan)到(dao)相(xiang)移(yi)模(mo)式(shi)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)降(jiang)低(di)了(le)增(zeng)益(yi)
，防(fang)止(zhi)在(zai)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)外(wai)低(di)效(xiao)地(di)運(yun)行(xing)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)硬(ying)件(jian)也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)低(di)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)下(xia)實(shi)現(xian)類(lei)似(si)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)。如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)更(geng)低(di)的(de)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)，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
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https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/the-value-of-using-sic-in-energy-storage-systems-ess/

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