【導讀】電池儲能(ESS)解決方案除了應用于工業(yè)、發(fā)電之外,在家庭住宅部分,也成為當前應用與市場發(fā)展的關鍵。住宅的ESS解決方案所需的功率較小,但對轉換效率與安全性的要求,仍與工業(yè)應用相同。本文將為您介紹住宅ESS解決方案的市場趨勢,以及艾睿電子與Rohm推出的SiC相關解決方案的功能特性。
電池儲能(ESS)解決方案除了應用于工業(yè)、發(fā)電之外,在家庭住宅部分,也成為當前應用與市場發(fā)展的關鍵。住宅的ESS解決方案所需的功率較小,但對轉換效率與安全性的要求,仍與工業(yè)應用相同。本文將為您介紹住宅ESS解決方案的市場趨勢,以及艾睿電子與Rohm推出的SiC相關解決方案的功能特性。
可存儲和管理電能的住宅ESS應用
住宅ESS是一種在住宅中使用的能源存儲解決方案,旨在存儲和管理電能,以提高能源使用效率、降低能源成本和增加能源供應穩(wěn)定性。住宅ESS應用通常包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)(光伏系統(tǒng)),太陽能光伏板通常安裝在屋頂或其他適當?shù)奈恢?,將陽光轉換為直流電能。
ESS還需要有充電控制器來負責監(jiān)測太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出,并控制電能流向儲能系統(tǒng),它可確保將太陽能產生的電能存儲到電池中。電池是ESS的核心元器件,用于存儲白天太陽能發(fā)電的電能,以在晚上或陰天供應能源。目前常見的電池技術包括鋰離子電池(Li-ion)和鉛酸電池。
ESS還需要逆變器來將存儲在電池中的直流電轉換為交流電,以供應家庭中的電器和照明設備使用,并利用能源管理系統(tǒng)(EMS)來監(jiān)控家庭的能源使用情況、天氣預報和電價等信息,以優(yōu)化能源的使用和存儲。它可以自動控制充電和放電過程,以確保最佳的能源效益。
住宅ESS還可連接到電網,使家庭能夠在需要時購買電能,或在能源充足時將多余的能量銷售給電網,這種雙向能量流的能力被稱為「雙向計量」。通過監(jiān)控系統(tǒng),家庭居民可以實時監(jiān)控能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)、能源產生和消耗情況,并通過遠程控制系統(tǒng)進行操作調整,例如改變儲能系統(tǒng)的工作模式或設定充放電時間。
住宅ESS的架構可以根據(jù)特定的需求和技術進行調整,以確保最佳的性能和效益。這種系統(tǒng)有助于實現(xiàn)能源的自給自足、節(jié)能減排,并在電網停電時提供備用電源。
住宅的ESS應用與工業(yè)應用在需求上有所不同,主要差別在于住宅ESS所需的功率較低,一般需求功率小于10kW,必須支持雙向功率轉換,大多采用高效率的高電磁兼容特性的AC/DC拓撲,以及高效率、高安全規(guī)格的DC/DC拓撲,必須支持360V - 550V的寬范圍母線電壓,其電池通常放置在直流側,要求系統(tǒng)效率超過90%,并需具備可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性,追求高功率密度,達到小尺寸、重量輕的目標,并需求降低系統(tǒng)成本,并對安規(guī)、EMC、噪音等特性的要求較高。
SiC相較于硅器件擁有更優(yōu)的性能表現(xiàn)
為了達到上述的要求,通常需要采用碳化硅(SiC)來進行功率的轉換,這是因為SiC器件具有一些顯著的優(yōu)勢,在大電流和高溫條件下可提高系統(tǒng)效率,SiC材料的高電場韌性使得SiC器件能夠達到更高的電壓操作,相較于硅器件有更高的耐受電壓,這使得SiC器件在功率轉換應用中特別有用。
此外,SiC器件的電子遷移速度較大,這使其在高頻應用中表現(xiàn)優(yōu)越。對于高頻變換器和功率放大器等應用,SiC器件提供了更好的性能。SiC的熱導率是硅器件的3倍,并可實現(xiàn)更小的尺寸和重量,以提高功率密度、優(yōu)化系統(tǒng)成本,其單位體積成本下降,能量可進行雙向轉換,且安全又可靠,可達到減小50%體積和降低每瓦特單位成本的目標,這意味著相同功率水平下的器件體積更小,重量更輕。
SiC材料在化學性質上較為穩(wěn)定,對于一些腐蝕性物質的侵蝕較小。這使得SiC器件在一些極端環(huán)境下的應用更加適用。SiC器件的載子移動速度高,使其具有更快的開關速度。這對于減小開關損耗、提高轉換效率,以及改善器件動態(tài)特性非常有益。
采用SiC儲能方案可擁有更小的產品尺寸和重量,可實現(xiàn)更高的開關頻率,并因采用更小的磁性器件,可使用更小的變壓器/電感器,其損耗更小、散熱效果更好,相同的功率可以安裝在更小的外殼中,與硅IGBT相比,SiC的功率密度(W/Kg)增加一倍,擁有高功率密度,并可使用簡單的雙向變換器拓撲,其環(huán)路控制更少,擁有更高的效率。
SiC器件具有單位體積導通電阻更低,導通損耗低,在關斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,開關損耗低,且體二極管的恢復損耗非常小,并可減少物料清單內容(BOM),系統(tǒng)堅固耐用,可靠性更高。
以DC-DC高壓側的設計為例,在母線電壓500V時可采用1200V SiC與IGBT,驅動電壓為15V/-2.5V,開關頻率為30kHz,電路另一邊可采用650V SiC與IGBT,驅動電壓15V/-2.5V,開關頻率76kHz。在高壓側電路采用SiC器件時的效率更高,SiC功率管采用15V驅動,并可兼容IGBT功率管方案。
雙向DC/DC電源轉換器的設計挑戰(zhàn)與解決方案
在設計用于ESS的雙向DC/DC電源轉換器時面對諸多挑戰(zhàn),像是在放電模式下,需解決穩(wěn)態(tài)工作和空載情況下的低側MOS Vds應力問題,解決方案是在變壓器初級將電感增加至200μH,如此一來電壓應力將可降低25%,效率提高6%~7%。
此外,需解決在放電模式、啟動時的Vds電壓應力問題,解決方案為在輸入端口采用PWM+PFM混合控制,其電壓應力將可降低27%,在80V時Vmax為124V。同樣地,在放電模式下,需面對諧振電容異常高溫(96℃@2100W),此時可將電容型號改為mkp21224/400VDC,便可將諧振電容溫度降至65℃@3000W。
另一方面,在放電模式下,工作頻率會突然變動到180kHz附近,增益曲線不平穩(wěn),此時可將SRMOS固定導通時間頻率點調諧至低于180 kHz,便可將增益曲線維持平穩(wěn)。
SiC MOSFET產品滿足DC-DC設計需求
以深圳威勤電子與艾睿電子提供支持的6600V 48V雙向高頻隔離DC-DC參考設計為例,其在充電部分可支持380-480 VDC的直流母線充電范圍,直流母線充電電流≦16A,輸出電壓為40-60 VDC,輸出電流≦140A,輸出功率最大可達6.6 kW,充電效率在420V時可達95%,充電電流紋波系數(shù)為1%。在放電部分的電池側電壓范圍為40-60 VDC,電池側電流≦140A,直流母線電壓范圍為380-480 VDC,輸出功率最大可達6.6 kW,放電效率在54V時可達94%,母線電壓紋波系數(shù)為1%。
這個參考設計在沒有Buck_Boost調節(jié)器的情況下,低壓側工作的范圍是43V-57V,滿功率的工作范圍是49V-57V,最大穩(wěn)定輸出電流為142A,最大短時輸出電流為150A(Vin = 420V,電阻負載)。在有Buck_Boost調節(jié)器的情況下,低壓側工作的范圍是43V-57V,滿功率的工作范圍是49V-60V,最大穩(wěn)定輸出電流為145A,最大短時輸出電流為150A(Vin = 420V,電阻負載)。這個參考設計采用了8片Rohm的SCT3030AR TO-247封裝SiC MOSFET,以及BM61S41RFV-C柵極驅動器與RJ1P12BBDTLL功率MOSFET。
Rohm的SCT3030AR是支持650V Nch 4引腳封裝的SiC MOSFET,是非常適用于要求高效率的服務器用電源、太陽能逆變器及電動汽車充電站等的溝槽柵結構SiC MOSFET。其采用電源源極引腳和驅動器源極引腳分離的4引腳封裝,能夠最大限度地發(fā)揮出高速開關性能,尤其是可以顯著改善導通損耗,與以往的3引腳封裝(TO-247N)相比,導通損耗和關斷損耗合計可降低約35%。
Rohm的SCT3030AR具有低導通電阻、開關速度快、快速反向恢復、易于并聯(lián)、驅動簡單等特性,采用無鉛電鍍封裝,符合RoHS標準,可廣泛應用于太陽能逆變器、DC/DC轉換器、開關電源、感應加熱與電機驅動等領域。
BM61S41RFV-C則是一款柵極驅動器,隔離電壓為3750 Vrms,最大柵極驅動電壓為24V,I/O延遲時間最大為65 ns,最小輸入脈沖寬度為60 ns,輸出電流為4A,具有欠壓鎖定(UVLO)功能和主動米勒鉗位功能,符合AEC-Q100標準,采用SSOP-B10W封裝。RJ1P12BBD則為Nch 100V 120A的功率MOSFET,具有低導通電阻、高功率小模封裝,采用無鉛電鍍封裝,符合RoHS標準,無鹵素并通過UIS測試。
結語
隨著綠色能源越來越受到國際社會重視,也推動著住宅ESS應用的快速發(fā)展,其中牽涉到相當多的電子元器件與解決方案,代表著龐大的市場商機。艾睿電子能夠協(xié)助客戶開發(fā)ESS應用的DC-DC解決方案,Rohm的SiC MOSFET與相關產品則可滿足DC-DC的應用需求,若想了解更多詳細的信息,請直接與艾睿電子聯(lián)絡。
文章來源:艾睿電子
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