Węglik krzemu w systemach magazynowania energii

© Arrow

Węglik krzemu (SiC) jest obecnie uznaną technologią, która zmienia oblicze energetyki w wielu zastosowaniach na rynkach przemysłowym, energetycznym i motoryzacyjnym, od poziomu watów do megawatów. Wynika to głównie z jego licznych zalet w stosunku do poprzednich generacji krzemowych tranzystorów bipolarnych (Si) i tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), w tym wyższych częstotliwości przełączania, niższych temperatur roboczych, wyższych pojemności prądowych i napięciowych oraz niższych strat, które prowadzą do zwiększenia gęstości mocy, niezawodności i wydajności. Ze względu na niższe temperatury robocze i generowanie mniejszego pola magnetycznego, elementy służące do zarządzania ciepłem i zasilaniem stają się teraz mniejsze, lżejsze i tańsze, co obniża całkowite koszty BOM, a jednocześnie zmniejsza wymiary układu.

SiC stał się dojrzałą technologią i bardzo powszechnym rozwiązaniem w systemach wymagających zasilania, a w szczególności układach ładowania i rozładowywania w zastosowaniach związanych z magazynowaniem energii, takich jak ładowanie pojazdów elektrycznych i systemy solarne z akumulatorami. Tego rodzaju systemy zwykle zawierają kilka możliwości zastosowania technologii SiC, takich jak przetwornice DC/DC boost, inwertery dwukierunkowe (z elementami AC i DC) oraz elastyczne obwody ładowania akumulatorów. Krótko mówiąc, SiC umożliwia do 3% wyższą wydajność systemu, 50% wyższą gęstość mocy oraz zmniejszenie powierzchni i kosztów elementów pasywnych.

Większość systemów magazynowania energii (energy storage systems, ESS) ma wiele stopni mocy, w których mogą być wykorzystane komponenty SiC. Wolfspeed oferuje tego typu komponenty w kilku formatach, takich jak diody Schottky'ego/MOSFET (w obudowie o obciążalności do 100A lub obudowach bare-die 196A) czy moduły mocy do 450A. Niezależnie od tego, czy jest to jednofazowy system mieszkaniowy (5–15 kW), czy trójfazowy system komercyjny (30–100 kW), podstawowa architektura i topologia obwodów mocy są  podobne, można je jednak skalować w zależności od poziomu mocy.

Rysunek 1 przedstawia typową architekturę ESS ze źródłem zasilania (w tym przykładzie jest to fotowoltaika lub PV, jednak równie dobrze może to być dowolne alternatywne źródło energii), konwerterem DC/DC, ładowarką akumulatora i falownikiem służącym do dostarczania energii do domu lub z powrotem do sieci. We wszystkich trzech blokach mocy w tej konfiguracji, zastosowanie SiC może poprawić wydajność, rozmiar, wagę i koszt.

Rysunek 1: Konfiguracja ESS do użytku domowego lub komercyjnego

Zalety SiC w blokach mocy ESS

Jak pokazano powyżej, istnieje kilka poziomów zasilania związanych z zarządzaniem zebraną energią i wykorzystywaniem jej do zasilania domu/budynku lub jej zmagazynowania. Blok konwersji DC/DC, który często składa się z konwertera boost do zastosowań PV, przynosi znaczne korzyści pod względem wyższej sprawności systemu i gęstości mocy. W porównaniu z tradycyjnymi technologiami, opartymi na krzemie, typowe zalety SiC to 70% redukcja rozmiarów systemu, ponad 60% redukcja strat energii i do 30% niższy koszt systemu.

Rysunek 2 pokazuje przykład konwertera 60kW do ładowania z przeplotem na bazie SiC (z projektu referencyjnego Wolfspeed CRD-60DD12N), zawierającego kilka tranzystorów MOSFET SiC i diod. Cztery przeplatane kanały pomagają skalować moc wyjściową do 60kW, przy zachowaniu sprawności na poziomie 99,5% przy 850VDC na wyjściu. Ta konstrukcja zawiera dwa tranzystory MOSFET C3M0075120K (w obudowie TO-247-4L z pinem źródłowym Kelvina), dwie diody C4D10120D na kanał oraz dyskretny izolowany sterownik bramki >CGD15SGOOD2.

Rysunek 2: Referencyjna konstrukcja konwertera boost z przeplotem na bazie SiC o mocy 60 kW.

W przedstawionym powyżej projekcie referencyjnym przeprowadzono analizę kosztów BOM przy różnych częstotliwościach przełączania. Przy wyższych częstotliwościach (100kHz w porównaniu do 60kHz), dzięki mniejszym i lżejszym komponentom można uzyskać znaczne oszczędności kosztów, jednakże chłodzenie może okazać się droższe ze względu na wyższe temperatury pracy. Generalnie, przy wyższych częstotliwościach osiąga się wyższą gęstość mocy, wyższą wydajność systemu i niższy koszt. W ten sposób SiC jest w stanie zapewnić lepszą wydajność w niższej cenie.

Inny projekt referencyjny Wolfspeed (Rysunek 3) podkreśla zalety SiC zarówno w przypadku falownika, jak i obwodów ładowania DC/DC. Ta konstrukcja działa w trybie jedno- lub trójfazowym, zarówno w trybie ładowania, jak i rozładowywania i przy szczytowej wydajności większej niż 98,5%. Sekcja konwertera składa się z prostego, dwupoziomowego konwertera AC/DC, kompatybilnego zarówno z połączeniami jednofazowymi, jak i trójfazowymi, tylko z sześcioma tranzystorami SiC MOSFET. Ta konfiguracja nie jest tak tania, jak większość konwerterów IGBT, ale przewyższa ją pod względem wydajności i poziomu strat. I chociaż konwerter AC/DC typu T oferuje nawet podobną częstotliwość przełączania i podobną wydajność, taka konstrukcja często wiąże się ze złożonym sterowaniem i większą liczbą części przy niższej gęstości mocy.

Rysunek 3: Prosty dwupoziomowy falownik/ AFE z tranzystorami SIC MOSFET.

W przypadku projektu przedstawionego powyżej, napięcie DC-link może wynosić do 900V, podczas gdy napięcie akumulatora zwykle wynosi około 800V. Ze względu na obciążenie elektryczne i termiczne, w tej sytuacji można zastosować C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFET od Wolfspeed, który dzięki łatwemu  sterowaniu i charakterystyce napędu Vgs oraz źródłowemu pinowi Kelvina, zmniejsza straty przełączania i redukuje przesłuchy. Ta topologia pozwala na tworzenie zaawansowanych cyfrowych schematów sterowania, które spełniają różne funkcje, takie jak PFC z przeplotem jednofazowym lub PWM z wektorem przestrzennym z trójfazową transformacją DQ, który równoważy straty przełączania we wszystkich urządzeniach, tworząc bardzo elastyczną platformę referencyjną. Wykorzystanie sterowania PWM jako przełącznika może być pomocne w wykrywaniu i równoważeniu rozpraszania mocy przy jednoczesnej optymalizacji wydajności cieplnej, sprawności i niezawodności.

Podczas testowania i pomiaru wydajności przy różnych obciążeniach i zakresach napięcia dla ładowania jednofazowego stwierdzono, że SiC osiąga wydajność do 98,5%, podczas gdy tranzystory IGBT mogą osiągać 96%, co skutkuje około 38% niższymi stratami w przypadku SiC. Rysunek 4 pokazuje dwa wykresy AFE dla ładowania i rozładowania w szerokim zakresie poziomów mocy.

Rysunek 4: Wydajność AFE dla trybów ładowania (po lewej) i rozładowania (po prawej) na wielu poziomach mocy.

W przypadku ładowania trójfazowego, osiągnięto tą samą sprawność szczytową i sprawność cieplną (w ramach ograniczeń systemu i urządzenia) co w przypadku topologii typu T, która jednak generalnie stanowi rozwiązanie bardziej złożone i kosztowne. Podsumowując konfigurację falownika/AFE 22kW, tranzystory MOSFET C3M0032120K SiC i elastyczny schematu sterowania zapewniają w niej wysoką sprawność (>98,5%), wysoką gęstość mocy (4,6 W/L) i mniejsze straty (o 60%). Dzięki tym rozwiązaniom mogą powstawać dwukierunkowe ładowarki, obsługujące obwód prądu stałego zarówno z trójfazowych, jak i jednofazowych wejść prądu przemiennego, zapewniające jednocześnie szeroki zakres napięcia akumulatora 200–800 VDC.