【導(dǎo)讀】電池儲(chǔ)能(ESS)解決方案除了應(yīng)用于工業(yè)、發(fā)電之外,在家庭住宅部分,也成為當(dāng)前應(yīng)用與市場發(fā)展的關(guān)鍵。住宅的ESS解決方案所需的功率較小,但對(duì)轉(zhuǎn)換效率與安全性的要求,仍與工業(yè)應(yīng)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(guān)解決方案的功能特性。
電池儲(chǔ)能(ESS)解決方案除了應(yīng)用于工業(yè)、發(fā)電之外,在家庭住宅部分,也成為當(dāng)前應(yīng)用與市場發(fā)展的關(guān)鍵。住宅的ESS解決方案所需的功率較小,但對(duì)轉(zhuǎn)換效率與安全性的要求,仍與工業(yè)應(yīng)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(guān)解決方案的功能特性。
可存儲(chǔ)和管理電能的住宅ESS應(yīng)用
住宅ESS是一種在住宅中使用的能源存儲(chǔ)解決方案,旨在存儲(chǔ)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(yīng)穩(wěn)定性。住宅ESS應(yīng)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(dāng)?shù)奈恢?,將陽光轉(zhuǎn)換為直流電能。
ESS還需要有充電控制器來負(fù)責(zé)監(jiān)測太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出,并控制電能流向儲(chǔ)能系統(tǒng),它可確保將太陽能產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到電池中。電池是ESS的核心元器件,用于存儲(chǔ)白天太陽能發(fā)電的電能,以在晚上或陰天供應(yīng)能源。目前常見的電池技術(shù)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(chǔ)在電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,以供應(yīng)家庭中的電器和照明設(shè)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(yù)報(bào)和電價(jià)等信息,以優(yōu)化能源的使用和存儲(chǔ)。它可以自動(dòng)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(wǎng),使家庭能夠在需要時(shí)購買電能,或在能源充足時(shí)將多余的能量銷售給電網(wǎng),這種雙向能量流的能力被稱為「雙向計(jì)量」。通過監(jiān)控系統(tǒng),家庭居民可以實(shí)時(shí)監(jiān)控能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、能源產(chǎn)生和消耗情況,并通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行操作調(diào)整,例如改變儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式或設(shè)定充放電時(shí)間。
住宅ESS的架構(gòu)可以根據(jù)特定的需求和技術(shù)進(jìn)行調(diào)整,以確保最佳的性能和效益。這種系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)能源的自給自足、節(jié)能減排,并在電網(wǎng)停電時(shí)提供備用電源。
住宅的ESS應(yīng)用與工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)換,大多采用高效率的高電磁兼容特性的AC/DC拓?fù)?,以及高效率、高安全?guī)格的DC/DC拓?fù)?,必須支?60V - 550V的寬范圍母線電壓,其電池通常放置在直流側(cè),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(dá)到小尺寸、重量輕的目標(biāo),并需求降低系統(tǒng)成本,并對(duì)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(dá)到上述的要求,通常需要采用碳化硅(SiC)來進(jìn)行功率的轉(zhuǎn)換,這是因?yàn)镾iC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(dá)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(zhuǎn)換應(yīng)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(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)越。對(duì)于高頻變換器和功率放大器等應(yīng)用,SiC器件提供了更好的性能。SiC的熱導(dǎo)率是硅器件的3倍,并可實(shí)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(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換,且安全又可靠,可達(dá)到減小50%體積和降低每瓦特單位成本的目標(biāo),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(xué)性質(zhì)上較為穩(wěn)定,對(duì)于一些腐蝕性物質(zhì)的侵蝕較小。這使得SiC器件在一些極端環(huán)境下的應(yīng)用更加適用。SiC器件的載子移動(dòng)速度高,使其具有更快的開關(guān)速度。這對(duì)于減小開關(guān)損耗、提高轉(zhuǎn)換效率,以及改善器件動(dòng)態(tài)特性非常有益。
采用SiC儲(chǔ)能方案可擁有更小的產(chǎn)品尺寸和重量,可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)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?fù)?,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(dǎo)通電阻更低,導(dǎo)通損耗低,在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,開關(guān)損耗低,且體二極管的恢復(fù)損耗非常小,并可減少物料清單內(nèi)容(BOM),系統(tǒng)堅(jiān)固耐用,可靠性更高。
以DC-DC高壓側(cè)的設(shè)計(jì)為例,在母線電壓500V時(shí)可采用1200V SiC與IGBT,驅(qū)動(dòng)電壓為15V/-2.5V,開關(guān)頻率為30kHz,電路另一邊可采用650V SiC與IGBT,驅(qū)動(dòng)電壓15V/-2.5V,開關(guān)頻率76kHz。在高壓側(cè)電路采用SiC器件時(shí)的效率更高,SiC功率管采用15V驅(qū)動(dòng),并可兼容IGBT功率管方案。
雙向DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方案
在設(shè)計(jì)用于ESS的雙向DC/DC電源轉(zhuǎn)換器時(shí)面對(duì)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(cè)MOS Vds應(yīng)力問題,解決方案是在變壓器初級(jí)將電感增加至200μH,如此一來電壓應(yīng)力將可降低25%,效率提高6%~7%。
此外,需解決在放電模式、啟動(dòng)時(shí)的Vds電壓應(yīng)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(yīng)力將可降低27%,在80V時(shí)Vmax為124V。同樣地,在放電模式下,需面對(duì)諧振電容異常高溫(96℃@2100W),此時(shí)可將電容型號(hào)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(huì)突然變動(dòng)到180kHz附近,增益曲線不平穩(wěn),此時(shí)可將SRMOS固定導(dǎo)通時(shí)間頻率點(diǎn)調(diào)諧至低于180 kHz,便可將增益曲線維持平穩(wěn)。
SiC MOSFET產(chǎn)品滿足DC-DC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dá)6.6 kW,充電效率在420V時(shí)可達(dá)95%,充電電流紋波系數(shù)為1%。在放電部分的電池側(cè)電壓范圍為40-60 VDC,電池側(cè)電流≦140A,直流母線電壓范圍為380-480 VDC,輸出功率最大可達(dá)6.6 kW,放電效率在54V時(shí)可達(dá)94%,母線電壓紋波系數(shù)為1%。
這個(gè)參考設(shè)計(jì)在沒有Buck_Boost調(diào)節(jié)器的情況下,低壓側(cè)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(shí)輸出電流為150A(Vin = 420V,電阻負(fù)載)。在有Buck_Boost調(diào)節(jié)器的情況下,低壓側(cè)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(shí)輸出電流為150A(Vin = 420V,電阻負(fù)載)。這個(gè)參考設(shè)計(jì)采用了8片Rohm的SCT3030AR TO-247封裝SiC MOSFET,以及BM61S41RFV-C柵極驅(qū)動(dòng)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(wù)器用電源、太陽能逆變器及電動(dòng)汽車充電站等的溝槽柵結(jié)構(gòu)SiC MOSFET。其采用電源源極引腳和驅(qū)動(dòng)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(guān)性能,尤其是可以顯著改善導(dǎo)通損耗,與以往的3引腳封裝(TO-247N)相比,導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗合計(jì)可降低約35%。
Rohm的SCT3030AR具有低導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度快、快速反向恢復(fù)、易于并聯(lián)、驅(qū)動(dòng)簡單等特性,采用無鉛電鍍封裝,符合RoHS標(biāo)準(zhǔn),可廣泛應(yīng)用于太陽能逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、感應(yīng)加熱與電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。
BM61S41RFV-C則是一款柵極驅(qū)動(dòng)器,隔離電壓為3750 Vrms,最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓為24V,I/O延遲時(shí)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(dòng)米勒鉗位功能,符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn),采用SSOP-B10W封裝。RJ1P12BBD則為Nch 100V 120A的功率MOSFET,具有低導(dǎo)通電阻、高功率小模封裝,采用無鉛電鍍封裝,符合RoHS標(biāo)準(zhǔn),無鹵素并通過UIS測試。
結(jié)語
隨著綠色能源越來越受到國際社會(huì)重視,也推動(dòng)著住宅ESS應(yīng)用的快速發(fā)展,其中牽涉到相當(dāng)多的電子元器件與解決方案,代表著龐大的市場商機(jī)。艾睿電子能夠協(xié)助客戶開發(fā)ESS應(yīng)用的DC-DC解決方案,Rohm的SiC MOSFET與相關(guān)產(chǎn)品則可滿足DC-DC的應(yīng)用需求,若想了解更多詳細(xì)的信息,請(qǐng)直接與艾睿電子聯(lián)絡(luò)。
文章來源:艾睿電子
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