Węglik krzemu w systemach magazynowania energii

Zalety SiC w obwodach ładowarek DC/DC

Przy projektowaniu izolowanych konwerterów DC/DC stosuje się wiele topologii, jednak najbardziej popularne rozwiązania to konwertery LLC z półmostkiem i pełnym mostkiem. Projekt referencyjny CRD-22DD12N firmy Wolfspeed przedstawia rozwiązanie o mocy 22kW, które można skonfigurować jako konwerter kaskadowy lub pojedynczy konwerter dwupoziomowy. Konwerter kaskadowy może wykorzystywać krzemowe tranzystory MOSFET 650V lub komponenty SiC, ale generalnie obejmuje większą liczbę komponentów, wyższe straty przewodzenia, ma większą złożoność sterowania i wyższy koszt. Pojedynczy konwerter dwupoziomowy wykorzystuje komponenty SiC dla wyższego napięcia (1200 V) i przełącza się ze znacznie wyższą częstotliwością 200 kHz. Największą zaletą SiC jest tutaj wyższa wydajność/niższe straty z pewnymi dodatkowymi funkcjami, takimi jak włączanie przy zerowym napięciu, wyłączanie przy niskim prądzie i mniejsze ryzyko EMI. Topologia obejmuje też mniejszą liczbę części niż konwerter kaskadowy, co pomaga obniżyć koszty systemu i zapewnia prostsze sterowanie. Rysunek 5 pokazuje różnice między tymi dwoma układami.

Rysunek 5: 22-kW pełnomostkowa przetwornica kaskadowa DC/DC CLLC (po lewej) i pojedyncza przetwornica dwupoziomowa (po prawej)

Dobierając komponenty mocy dla konstrukcji 22kW, ponownie stwierdzono, że tranzystor MOSFET C3M0032120K 1200V 32 mΩ zapewnia najlepsze dla konwertera parametry obciążenia elektrycznego i termicznego. Ponadto jego Vgs może obsługiwać napięcie 15V, co ułatwia pracę. Zmienna kontrola napięcia DC-link (na podstawie wykrytego napięcia akumulatora) zapewnia najlepszą wydajność systemu i zapewnia, że ​​CLLC pracuje blisko częstotliwości rezonansowej. Gdy napięcie akumulatora jest niskie, układ sterowania przełącza się w tryb przesunięcia fazowego, który zmniejsza wzmocnienie bez nieefektywnej pracy poza zakresem częstotliwości rezonansowej. Oznacza to, że w tym samym przypadku można osiągnąć podobnie wysoką sprawność jednak przy niższych napięciach wyjściowych. A jeśli potrzebne jest niższe napięcie akumulatora, uzwojenie pierwotne CLLC może działać jako półmostek, co dodatkowo zmniejsza wzmocnienie, ale utrzymuje strefę wydajności. Ta niższa sprawność może być nadal akceptowalna ze względu na niższe koszty operacyjne i mniej wymagające zarządzanie termiczne.

Rysunek 6 przedstawia przebiegi fali dla trybów ładowania i rozładowania w konfiguracji z pełnym mostkiem. Zrzut ekranu trybu ładowania pokazuje włączenie przy zerowym napięciu w warunkach wyłączenia przy niskim prądzie, co skutkuje wysoką wydajnością pracy. Wykresy fal są również bardzo regularne i pokazują przełączanie o niskim przeregulowaniu, co pomaga w przypadku problemów EMI.

Rysunek 6: Tryby ładowania i rozładowania dla konwertera SiC DC/DC o mocy 22kW

Wyniki wydajności konwertera są podobne do uzyskanych w projekcie referencyjnym falownika, z 98,5% sprawnością szczytową na większości obciążenia. Zmienne napięcia DC-link i wydajność wynikowa utrzymują się powyżej 97%, dopóki konstrukcja nie przejdzie w tryb półmostkowy, co ogranicza wydajność i możliwości dostarczania mocy podczas ładowania. Ogólnie rzecz biorąc, tranzystory MOSFET SiC wraz z elastycznym schematem sterowania umożliwiają dwukierunkową wysoką sprawność (>98,5% wydajności ładowania/rozładowania) i wysoką gęstość mocy (8 kW/L) ładowarek dwukierunkowych, obsługujących zarówno jednofazowe, jak i trójfazowe wejścia AC. W porównaniu z rozwiązaniami opartymi na krzemie osiąga się wyższą wydajność i gęstość mocy przy znacznie niższych kosztach dzięki prostej konstrukcji  sterownika bramek, elementom zarządzania termicznego, mniejszej liczbie części i mniejszym komponentom magnetycznym.

Podsumowanie zalet SiC

Zastosowanie technologii SiC wiele wniosło do współczesnego przemysłu, głównie ze względu na właściwości termiczne i szybsze przełączanie przy niższych stratach. Przy mniejszym poziomie zależności rezystancji włączania od temperatury, MOSFET wykazuje mniejsze straty przewodzenia w wyższych temperaturach i umożliwia przełączanie o wysokiej częstotliwości. Ponadto, wysokowydajne diody pozwalają na wysoką niezawodność w konstrukcjach przetworników rezonansowych, a mniejsza pojemność wyjściowa ułatwia osiągnięcie przełączania zerowego napięcia dla przetworników LLC.

Rysunek 7 przedstawia bezpośrednie porównanie typowych korzyści SiC w zakresie wielkości/masy w porównaniu z komponentami krzemowymi (o napięciu znamionowym 650V). Zwykle elementy krzemowe wymagają transformatora i cewki rezonansowej, podczas gdy w przypadku SiC nie jest to wymagane, co pozwala zaoszczędzić na wadze i przestrzeni.

Rysunek 7: Porównanie krzemu i SiC pod względem wielkości i wagi.

Jeśli chodzi natomiast o wydajność, szczytowe wartości sięgają 98,5% (jak pokazano w przykładach opisanych wcześniej) dla średnich obciążeń, a w całym zakresie wejściowym powyżej utrzymują 97,5% maksymalnego obciążenia.

Rodzina urządzeń SiC firmy Wolfspeed obejmuje pełne spektrum zastosowań mocy, od 1kW do poziomu megawatów, ze skalowanymi modułami o dużej mocy. Dzięki rozwiązaniom dyskretnych dla małych mocy z jednej strony, przez moduły WolfPACK dla średnich poziomów mocy i specjalizowane rozwiązania modułów dla wysokiej mocy, projektant ma do dyspozycji wiele opcji topologii, przy jednoczesnej optymalizacji kosztów BOM i fizycznych rozmiarów układu. Moduły mocy maksymalizują gęstość mocy, upraszczają układ i montaż, umożliwiają skalowalność systemów o większej mocy oraz utrzymują najwyższą wydajność i niezawodność pracy przy niższych kosztach robocizny i komponentów.

Niezależnie od tego, czy wykorzystuje się komponenty dyskretne, czy moduły o dużej mocy, SiC pokazał ogromne możliwości w zastosowaniach związanych z przechowywaniem energii, od mieszkaniowych po przemysłowe, a portfolio komponentów SiC Wolfspeed umożliwia tworzenie elastycznych, skalowalnych i wysokowydajnych projektów przy niskich kosztach i niewielkich rozmiarach.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow