高压碳化硅功率模块助力可再生能源储能系统持续发展
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发布于2025-07-14
想象一下，在一个闷热的夏夜，繁华的城市里空调全开，电动汽车正在为第二天的活动充电。随着电力需求激增，停电的风险也随之上升，但幸运的是，电池储能系统（BESS）的出现在一定程度上避免了停电的发生（图1）。
图1：电池储能系统可用于储存太阳能电池组和其他设施产生的电能输出。这些系统可以安装在室内或室外，并可配置为单个或多个模块化可运输单元。（图源：scharfsinn86/stock.adobe.com）
这些拖车大小的单元可以在发电过剩期间储存传统和间歇性可再生能源产生的电能，并在需要时将这些电能回馈至电网，起到调峰蓄能的作用。
BESS具有多项颇具吸引力的优势：
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能量密度高，储存和输送电能的效率高
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模块化，便于运输
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可灵活适应不同的电网需求和安装环境（室外或室内）
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总尺寸和容量均可扩展
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维护和停机需求低
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安静、无排放
随着这项技术不断对智能电网应用和更多领域产生影响，能源解决方案也必须与之同步发展。本文将探讨碳化硅（SiC）功率模块如何推动BESS的发展，重点关注其效率、可扩展性和系统可靠性，并将介绍Wolfspeed的多功能功率模块。
碳化硅推动开关技术发展
BESS设计的实用性取决于多种因素。首先，就是人们对其所提供功能的需求日益增长，尤其是在与间歇性能源结合使用时。然而，仅有需求是不够的，因为它还需要各种电子元器件，从基本的无源连接器和电路保护装置，到将储存的直流电能转换为可用电力所需的有源功率开关装置。
在这些元器件中，基于碳化硅技术的功率开关器件正日益受到关注。与现有的硅器件相比，碳化硅具有多项优异特性。
碳化硅的击穿电压远高于硅，带隙能量也更宽。这使得碳化硅元器件可以在更高的电压下工作，同时在大功率应用中表现出更低的漏电流和更高的效率。碳化硅器件还具有更高的热稳定性和导热性（约3.7W/cm·K，而硅为1.5W/cm·K），某些情况下可在超过200°C的结温下使用，因而可以使用更小的散热器，但实际温度限制取决于器件设计和制造商规格。此外，碳化硅的导通电阻（RDS(on)）较低，在高电压下通常比硅器件低2到3倍，因此传导损耗也较低。最后，碳化硅的开关速度比硅IGBT快5到10倍，从而显著提高了运行效率。
Wolfspeed的创新成就非凡
即使是性能出色的碳化硅器件，在最终应用中也并不是能够直接替换的功率器件。完整的功率转换设计需要仔细考量布局、基板、支持元器件、热管理以及其他各种因素。因此，对于计划使用碳化硅器件的潜在客户而言，一款完整并能直接使用的功率模块就是理想的选择。
这就是Wolfspeed的WolfPACK™碳化硅功率模块能够成为储能系统及其他领域突破性技术的原因所在。该公司适用于1500VDC母线应用的2300V无基板碳化硅功率模块是采用Wolfspeed先进的200mm碳化硅晶圆开发和推出的（图2），此举提高了产量并降低了制造成本。
图2：适用于1500VDC母线应用的2300V无基板碳化硅功率模块是采用Wolfspeed先进的200mm碳化硅晶圆开发和推出的。（图源：Wolfspeed）
这些功率模块的优势显而易见：它们能够提高系统效率、增加系统功率密度、减少无源元器件数量，并降低整体系统成本。作为将分立设计整合为单一封装的产品，这些模块还内置负温度系数（NTC）热敏电阻，便于测量模块温度。
这些WolfPACK模块提供半桥、六片式和T型配置，其中半桥模块已推出2300V版本（图3）。所有模块均可选择预涂热界面材料。与IGBT相比，该技术使开关损耗降低了77%，与其他适用于1500V应用的碳化硅器件相比，开关损耗降低了2到3倍。该2300V半桥配置采用紧凑型封装，占板面积约为57mm × 63mm，高度为12mm。
图3：Wolfspeed CAB5R0A23GM4是一款2300V、5.0mΩ碳化硅半桥模块（左图），集成了多种器件，包括内置热敏电阻（如右图所示）。（图源：Wolfspeed）
该项技术支持将功率模块作为构建模块，用于实现高度模块化、灵活的系统架构，从而简化向更大规模系统扩展的过程。其可扩展性通过设计简化实现，从而形成易于维护、可快速部署的量产系统。与传统解决方案相比，设计人员可以利用成本更低的印刷电路板（PCB）来降低制造成本，并显著缩短开发时间。
Wolfspeed的2300V模块支持两级拓扑结构，与基于IGBT的三级配置相比，可简化系统设计并减少栅极驱动器数量。在两级实施中，这些模块可减少系统中的潜在故障点。使用这些模块的设计人员可以从工具中获得全面支持，包括Spice和热模型、接口和驱动器详情、安装细节、热管理应用说明、寄生效应、EMI注意事项等。
在新一代可再生能源系统中实现出色性能
Wolfspeed模块凭借其优势，已然在业界崭露头角。例如，Wolfspeed正与功率转换解决方案领域的知名企业EPC Power合作，打造其M系统，这是一款专为优化电网级储能而设计的新一代可再生能源逆变器平台[1]。
该系统基于Wolfspeed 2300V WolfPACK功率模块，其模块化结构提供了出色的灵活性，支持从单个5.3MV·A逆变器模块到10个独立537KV·A逆变器的配置。其创新架构具有更高的可靠性、可用性和效率，可简化生产流程、减少占地面积并尽可能提高盈利能力。
Wolfspeed碳化硅解决方案有助于缩小清洁能源缺口，加速现代能源技术迈向新时代。作为碳化硅领域的知名厂商，他们正通过打造创新解决方案，推动现代能源采购和交付的持续发展。能效、可靠性和可扩展性是Wolfspeed重点关注的问题，他们清晰地认识到了碳化硅模块带来的巨大优势。
参考文献
https://www.wolfspeed.com/company/news-events/news/wolfspeed-unveils-cutting-edge-silicon-carbide-module-solution-to-boost-clean-energy-capacity/作者简介
Bill Schweber是贸泽电子撰稿人，也是一名电子工程师。他撰写了三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中，他曾担任多个EE Times子网站的网站管理员以及EDN的执行编辑和模拟技术编辑。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位，是注册专业工程师，并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础知识、ADC选择和驱动LED。