推動電動汽車市場的綠色意識和法規推動了電池技術和基于碳化硅的設計的創新，以改變綠色能源生產。

現在，可再生能源擴張的需求至關重要。日益增加的氣候變異性、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，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設備的創新，現在可以使用解決方案來幫助實現所有這些目標。

陽光照耀太陽能的成功

國際能源署（IEA）估計，到8年，可再生能源產能將增加300%，達到2022吉瓦。1 據該機構稱，引領可再生能源復興的是太陽能光伏，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，包括逐步解決一些挑戰。

太陽能電池板和相關電子設備變得更加高效，同時相對于化石燃料的成本也更低，而且速度比風能和水力更快。全球各國政府正在通過商業激勵和監管支持來建立這一目標。

風能和太陽能發電的特征性間歇性，由于氣候多變性而惡化2，可以通過添加ESS來緩解。電池技術的改進提供了容量擴展和更低的成本，而基于碳化硅的設計使這些系統更加高效。

太陽能光伏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。與風能和水力發電不同，風能和水力發電在非常高的功率和昂貴的公用事業規模投資下最可行，太陽能適合多種系統配置。

面板到ESS系統概述

太陽能架構通常分為三種配置。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聚合到大約 50 kW。從 50 kW 到 200 kW，串筒集成用于商業和工業設施。兆瓦范圍內的公用事業規模安裝使用大型集中式系統，但現在通常選擇基于字符串的分布式拓撲，以降低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，它從面板陣列獲取變化的電壓，并為內部總線提供恒定的更高電壓（圖 1）。然后，逆變器將更穩定的直流電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ESS需要從電網充電，逆變器也需要是雙向的。

碳化硅技術提升

碳化硅適合從低 1 kW 到大于 1 MW 配置的升壓/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 中的應用。與硅相比，它具有許多優勢：

在大多數應用中開關頻率提高 3 倍

系統效率提高 ~2% 或損耗降低 ~40%

功率密度提高多達 50%（體積縮小 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

盡管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，但現在已更廣泛地采用MOSFET的完整碳化硅實現。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。與硅可實現的相比，這種設計可提供 1-2% 的能效提升或約 70% 的損耗、3 倍的功率密度和 10 倍的重量減輕。所有這些性能都降低了系統實施成本。

碳化硅對AFE部分也有類似的影響。六開關硅 IGBT 方案因其相對較低的成本和簡單性而常用（圖 2）。但是，其開關頻率限制在最大約20 kHz，并且在高功率水平下，明顯低于該頻率。使用硅超級結 （SJ） 器件的多電平拓撲允許設計人員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，以及由額外的開關和相關器件驅動器驅動的顯著增加的器件數量和 BOM 成本。Wolfspeed 的 CRD25AD12N-FMC 22 kW AFE 參考設計已經證明了這一點。

在ESS領域，電動汽車市場影響了電池存儲趨勢，允許使用200V的電池組，并可能向800-1000V邁進。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，其中硅的開關限制在80 kHz和120 kHz之間。相反，更簡單的全碳化硅實現，例如CRD-22DD12N 22 kW雙向DC-DC充電器，可以實現約200 kHz的諧振頻率，同時減少器件數量和整體系統成本。

結合基于碳化硅的雙向AFE和DC-DC充電器，具有多個系統級優勢：

能量損失降低 40%，進而實現

更低的系統溫度，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%

未來采用高功率碳化硅制造

基于碳化硅的系統支持幾個關鍵的近期趨勢。太陽能世界正朝著1500 V總線發展，這需要2 kV設備或復雜的多電平拓撲。在中央逆變器領域，將需要2 kV或更高范圍內的中高壓設備和功率模塊。

碳化硅將提供單極開關，而不是當今集中式逆變器中的雙極開關，帶來相同的效率、重量、尺寸和成本優勢。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。

審核編輯：郭婷