碳化硅功率半导体在可再生能源系统中的应用

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碳化硅的材料优势

碳化硅属于宽带隙（WBG）半导体类别，带隙为3.26电子伏特，而硅的带隙为1.12电子伏特。这个看似简单的功能为电源半导体应用带来了一系列深远的好处：

——碳化硅（SIC）的高击穿电压可承受硅电场强度的十倍。这使设备能够以更薄的漂移层处理更高的电压，从而减小尺寸并减少传导损耗。

高热电导率——碳化硅（SIC）的导热率几乎是硅的三倍，因此其设备可以散发出更好的热量，从而实现了更高的电流密度并简化了冷却设计。

快速开关速度——碳化硅（SIC）MOSFET和二极管的开关损耗较低，因此它们可以以较高的频率运行。这使得所需的被动组件（电感，变压器）较小，从而减少系统大小并降低成本。

低耐药性（RDS（ON））稳定性——碳化硅（SIC）即使在高温下也保持低电导率损失，与硅设备不同，硅设备的电阻随温度而显着增加。

内在的辐射和苛刻的环境公差——这使碳化硅（SIC）在沙漠，离岸平台和其他极端环境的可再生能源设施中具有吸引力。

可再生能源系统中的应用

1。太阳能光伏（PV）逆变器

在光伏（PV）系统中，逆变器将太阳能电池板生成的直流电源转换为交流电源，以掺入电网中。效率和功率密度至关重要，因为在数十年的运行中，即使是小损失也可以转化为浪费能量的大量浪费。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SICMOSFET）显着降低开关和传导损失，从而使逆变器效率达到99以上。

更高的开关频率使设计人员可以减小磁性组件和电容器的大小，从而减小逆变器的大小和重量。

绳子和集中式逆变器越来越多地使用碳化硅（SIC）模块来处理兆瓦级系统，同时保持系统紧凑。

住宅微逆变器也受益于碳化硅（SIC），因为它们必须安装在小型外壳中并在不同的负载下有效地运行。

因此，基于碳化硅（SIC）的逆变器可以延长太阳能发电厂的寿命并降低电源升级成本（LCOE）。

2。风电转换系统

风力涡轮机产生可变频率交流电流，必须将其转换为与网格兼容的功率。这需要背对背转换器，音高控制和电源调节电路。

SIC半导体比IGBT的高压，高功率转换器（通常为3.3kV）。

它们对音高控制系统提供了更快的响应，从而提高了涡轮机的可靠性和效率。

海上风电场特别受益于SIC设备冷却需求的减少，因为在偏远的海洋环境中维护成本很高。

通过最大程度地减少功率损失，SIC设备可实现更长的电缆操作，更高的输出稳定性和更有效的风能收集。

3。储能系统（ESS）

电池能量存储对于平衡可再生能源的产生和需求至关重要。 ESS中的电源转换系统（PC）管理充电，放电和电网相互作用。

基于SIC的双向转换器允许更快地充电/放电周期，损失最小。

高频操作减少了PCS设备的足迹，这对于容器化或建筑集成ESS至关重要。

改进的热性能提高了长期存储系统的可靠性。

随着锂离子电池，固态电池和流量电池的升高，SIC确保了能源储能的整合效率和可扩展性。

4。网格集成和高压直流传输系统

可再生能源需要强烈的网格互连基础设施，包括高压直流电流（HVDC）和柔性交流电流传输系统（FACTS）。

SIC半导体能够达到更高的电压等级（最高15kV及以上），从而减少了与硅相比串联所需的设备数量。

它们的快速开关和低损耗提高了HVDC转换器的效率，这可以长时间传输可再生能源。

基于SIC的固态变压器（SSTS）为智能网格，微电网和分布式可再生能源整合提供紧凑而有效的解决方案。

这使得SIC对于下一代弹性，数字和可再生能源友好的网格必不可少。

经济和环境影响

降低水平的能源成本（LCOE）

通过提高逆变器和转换器的效率，SIC设备直接降低了可再生能源工厂的运营成本。对于大型太阳能发电厂，即使提高效率为0.5，也可以转化为数百万美元的终生收入。

较小较轻的系统

SIC可以达到更高的功率密度并降低变压器，过滤器和冷却系统的尺寸。这不仅节省了材料和制造成本，而且还简化了可再生设备的运输和安装。

延长系统寿命

较低的工作温度和降低的组件应力延长了可再生能源系统的可靠性和使用寿命，从而降低了停机时间和维护成本。

减少碳足迹

随着效率的提高，基于SIC的系统浪费了较少的电力，因此为电网提供了更多可再生能源。这扩大了太阳能，风能和储能设备的总体降低益处。

挑战和未来的前景

尽管SIC Power半导体具有优势，但它们仍然面临一些挑战：

——sic晶圆的成本比硅贵。但是，随着制造规模的扩大和产出的增加，成本正在稳步下降。

与硅相比，SIC仍然面临缺陷，晶圆尺寸限制（通常150-200 mm）和加工复杂性等问题。

设计过渡——习惯于硅IGBT的工程师必须采用新的设计实践来利用SICS的潜力。

可靠性标准——尽管碳化硅碳化物虽然很强，但仍在收集长期现场数据，以建立25年可再生能源寿命的普遍接受的可靠性基准。

展望未来，预计SIC技术将以各种方式发展：

6英寸和8英寸晶片将降低成本并提高设备的可用性。

将SICMOSFET与硅IGBT结合的混合模块可以用作过渡溶液。

将——SIC与GAN（氮化碳）在高压的互补作用中集成，高频——的GAN可以优化可再生能源系统。

综上所述

碳化硅功率半导体正在重新定义可再生能源应用。从太阳能光伏逆变器和风能转换器到储能系统和网格基础设施，SIC可以实现更高的效率，紧凑性和可靠性。尽管诸如成本和制造成熟期之类的挑战仍然存在，但开发轨迹很明显：SIC将成为全球清洁能源过渡的基本技术。

随着可再生能源部署的加速，高级功率半导体和可持续能源之间的协同作用对于实现碳中立至关重要。在此过程中，碳化硅是关键的推动力，弥合了雄心勃勃的能源目标和技术能力之间的差距。

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