太陽能光伏系統、儲能技術和第三代半導體 助力能源轉型

太陽能產業作為新能源產業中發展較為成熟的產業，正在為“雙碳”目標實現的不斷提供助力。太陽能光伏系統是將太陽能轉化為電能的一種技術，通過安裝在屋頂或地面上的太陽能電池板，將太陽光轉化為直流電，并通過逆變器將其轉化為交流電，供應給家庭、企業或公共設施使用。

然而，太陽能光伏系統的一個主要問題是其依賴于自然光照的變化。在太陽光不足的情況下，光伏系統的發電效率會大幅下降。這就需要儲能系統的支持——將多余的電力儲存起來，在需要的時候釋放出來，以平衡能源供應和需求之間的差距。這樣，即使在夜間或陰天，也能維持電力供應的穩定性。

隨著可再生能源的快速增長和電動化趨勢的加速推動，儲能技術成為能源轉型的關鍵。第三代半導體碳化硅（SiC）器件，憑借自身優異的材料特性和技術更新，為儲能應用帶來前沿解決方案，有利于實現能源的高效利用，為推動碳中和方面發揮顯著優勢。

這是是2023年貿澤電子技術創新周的智慧能源主題4天直播的第二篇技術干貨筆記。我們為你重點梳理了關于太陽能光伏系統、儲能技術和第三代半導體在整個智慧能源轉型進程中發揮的重要作用，分別有來自ADI、Wolfspeed、Littelfuse、OMRON等廠商的精彩分享。

01

ADI

高性能電池管理方案

為可充電設備發展提速

電池廣泛地應用于各種領域的電子產品中，消費電子類、便攜式醫療電子設備、工業級和物聯網設備等都離不開電池應用。這也意味著“電池焦慮“的普遍存在。如何通過高性能的電池管理方案為充電設備發展提速，是廣大工程師特別關注的問題。

ADI在直播中重點分享了高性能電池管理方案如何助力可充電設備發展。其電源解決方案支持安全、可靠的快速充電和安全、高效的電池管理，從而大限度地延長電池的壽命。提供的電池電量計、鋰離子保護技術以及開關電容器轉換器，利用超低靜態電流延長了運行時間、待機時間、保質期和整體電池壽命，這對于使用小型電池的空間受限型應用來說非常重要。

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隨著電子設備使用的增加，可充電電池技術的優缺點暴露出來。安全至關重要，鋰離子電池需要安全充電器、全面的保護器和精確的電量計。電量計精度差可能導致系統過早或突然關閉。因此，必須使用高精度的電量計來指示電池狀態以及可用的運行時間。新電池管理方案通過使用AccuCharge解決了這些挑戰。利用電量計控制集成充電器，將電量計集成到充電器中，提高充電精度，簡化充電管理

Fuel Gauge可測量手持應用中的電池容量，采用無縫的檢測技術，具有出色的充電精度。高端電流檢測支持下游故障檢測并避免接地干擾。模擬積分器對電荷直接進行數字化，從而消除放大器偏移，使增益誤差非常小，總電荷精度更高。某些型號還提供電池電壓和溫度或集成檢測電阻并進一步提高精度。

電池供電設備可通過USB Type-C連接器提供高達240W的功率，為電子產品提供了巨大優勢。USB PD帶來了新的電源要求挑戰，因為USB PD標準中提供了寬泛的電壓和電流組合，以便提供更大電源選擇范圍。在通過USB電纜供電之前，電源和電子裝置分別以適當的電壓和電流水平傳輸其功率容量和功率要求。有些解決方案需要多個IC，包括端口檢測器、微控制器和充電器，以實現電力傳輸，但它們占用電路板空間，增加了方案的成本，而且需要定制固件，制作起來比較耗時。獨立的PD 控制器可以解決這些難題，可以管理電源問題，而無需開發固件。

電池電壓隨溫度和負載發生變化，電量計量會非常困難；而庫倫計數方法要求復雜的補償，以消除累計失調誤差。ModelGauge m5電量計包括成熟的算法，將電池電壓、電流及溫度等原始測量數據轉換為SOC%、mAhr、剩余工作時間，所有這些不僅改善設備的用戶體驗，而且極大程度提高電池工作時間。

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02

Littelfuse

功率半導體和電路保護方案

在太陽能及電池儲能應用

Littelfuse帶來了關于功率半導體和電路保護方案在太陽能及電池儲能中的應用的深入分享。

隨著全球“雙碳”進程的深入，太陽能作為相對比較成熟的綠色能源，其發展也進一步提速，帶動了相關的太陽能逆變器以及電池能量存儲市場的加速發展。市場研究機構MarketsandMarkets的相關預測數據顯示，太陽能逆變器和電池能量存儲市場將分別以15.6%和33.9%的年復合增長率成長。

來源：MarketsandMarkets，Solar inverter, Energy storage systems

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Littelfuse用于太陽能逆變器和電池儲能系統（BESS）的兩種解決方案：

1.交流耦合太陽能系統（AC）

• 擁有兩個逆變器：帶蓄電池的雙向逆變器和一個太陽能逆變器，由于多個中壓變壓器、逆變器等，電池使用的能量被多次倒置，導致效率較低。

• 保留了系統中的并網逆變器，改造的靈活性更高，安裝簡單。

• 如果存在現有的光伏系統，則成本效益較高。

2.直流耦合太陽能系統（DC）

• 單臺逆變器為負載供電，效率更高，因為電源無需多次逆變。組件更少。BESS和PV之間的電纜短，減少了損耗。

• 不適合改造。需要更換現有的逆變器，在許多情況下還需要重新配置光伏陣列線路。

• 對于現有的光伏系統，安裝成本高且復雜。

太陽能逆變器拓撲結構和應用類型

1.微型逆變器

• 額定功率范圍高達300W，輸出電壓為230V的交流電壓，單相電，主要用于個人住宅。

2.組串逆變器

• 額定功率范圍1kW~10kW，輸出電壓為230V的交流電壓，單相電，主要用于住宅小區。

3.多組串逆變器

• 額定功率范圍30kW~200kW，輸出電壓為400V的交流電壓，三相電，主要用于商業、工業和公共設施。

4.中央逆變器

• 額定功率高達幾兆瓦，輸出電壓為400V~690V的交流電壓，三相電，主要用于中壓公用電網、光伏發電場。

Littelfuse的太陽能逆變器和電池儲能系統（BESS）在安全性方面的出色表現

• 通過了北美地區用于分布式能源的逆變器、轉換器、控制器和互連系統設備的安全標準（UL 1741）和評估發生熱失控的電池儲能系統的火災特性的方法標準（UL 9540A）的標準認證。

• 符合歐盟關于光伏逆變器的整體效率（EN 50530）和光伏逆變器的數據表（EN 50524）的標準。

• 符合IEC 61683（本標準規定了測量獨立式和公用事業互動式光伏系統所用功率調節器效率的準則）、IEC 62109-1和IEC 62109-2（光伏發電系統中使用的電源轉換器的安全性）的安全性認證。

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03

Wolfspeed

從硅器件到碳化硅器件

先進技術賦能儲能應用

在硅材料的發展已經接近其技術上限的當下，以SiC、GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導體器件有哪些優異的材料特性和技術更新？可以為儲能應用帶來怎樣的前沿解決方案以實現能源的高效利用？全球采用碳化硅和氮化鎵技術供應商Wolfspeed深入分享了SiC助力儲能系統的應用與解決方案。

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Sic MOSFET與HV Si MOSFET（高壓分立硅MOSFET）相比，在功率半導體材料參數方面有哪些優勢？

• 在禁帶寬度（Band Gap 單位是電子伏特eV）方面，決定了半導體器件的耐壓和工作溫度上限。Sic MOSFET是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有著更高的工作溫度與極低的漏電流。

• Sic MOSFET的臨界擊穿場強（Critical breakdown field單位是MV/cm）是HV Si MOSFET的10倍，通常與禁帶寬度的平方成正比。Sic器件可實現更高的開關頻率，相同性能下Sic器件的體積更小。

• Sic MOSFT的導熱性（Thermal Conductivity單位是W/cm. K）是是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有著更好的大電流負載能力。

Sic、Si、GaN在物理特性上有哪些差異？

• Sic和Si MOSFET的結構是一樣的，電流從Drain極到Source極，都是垂直型的導電溝道，而GaN的導電溝道是平面型的。相同耐壓的管子，GaN這種橫向結構需要在平面上去保證漏極和柵極的絕緣距離，所以GaN的器件面積一般比較大，主流的應用場景都是在千伏以下。

• GaN器件內部沒有PN結的存在，也沒有抗雪崩的能力。

• GaN的散熱能力會因為Si材料作為襯底而受到一定限制。

Sic MOSFET與Si IGBT相比有哪些優勢？

• 在較低負載條件下，Sic MOSFET的傳導損耗（Conduction Loss）僅為 IGBT 的 1/2。

• 相同條件下，Sic MOSFET的開關損耗僅為Si IGBT的1/10。

# 小結

在環境、負載以及相同的成本下，Sic MOSFET具有更高的能效，可以支持更高的開關頻率的優勢。

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04

OMRON

歐姆龍產品在光伏儲能系統中的應用介紹

歐姆龍公司在本次直播專題中深入介紹了其光伏逆變器、儲能方案等如何助力逆變器/儲能系統的小型化，推動可再生能源的普及。高可靠的功率繼電器提供可靠且高質量的部件解決方案將有助于提高設備的性能、可靠性和安全性。

在歐姆龍構想的2030年的社會圖景中——導入了低環境負荷的新能源，所有產品和基礎設施直流化。通信高速大容量化，通過社會和家庭的IoT進展，所有產品互相連接并持續穩定運轉，由此帶來更加便捷舒適的生活。此外，這類產品全都環境友好已變得理所當然。

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• G9KA專為商業PV逆變器市場中的高電壓/電流應用開發的。與傳統的印刷基板繼電器相比，降低了散熱器、風扇等散熱措施產生的設計成本，并且通過簡單的散熱器設計使產品小型化，有助于設計出小巧、輕便的終端產品。支持800VAC / 200A的負載切換，同時具有低接觸電阻（<0.2mΩ）特性，可以抑制熱量產生和散熱問題。

• G7EB-E 120A Carry PCB功率繼電器支持大電流應用，具有高容量負載額定值，與標準100A額定值相比，可支持120A載流。這種大容量特性使該系列適合用于電動汽車充電站、功率調節器逆變器、工業逆變器和不間斷電源。與同類產品相比，該大容量模塊的接觸電阻較低，從而減少了對復雜溫度設計和熱傳導器件的需求。G7EB-E 120A Carry PCB繼電器具有SPST-NO（1a）觸點形式、10kV高脈沖耐受電壓和-40°C至+85°C環境溫度范圍。適合于功率調節器以及逆變器等應用環境。

• G9KB高壓開關繼電器是大功率直流PCB繼電器，具有雙向600V_DC容量和50A切換能力，低接觸電阻和低線圈功耗的特點。接點間距3.6mm以上，具有85°C環境溫度和12V_DC或24V_DC額定線圈電壓。應用包括直流家用和商用電器、儲能系統和能源行業。

• G7L-X PCB功率繼電器提供1000V_DC的負載開關，滿足太陽能逆變器安全標準，低接觸電阻特性可以實現低溫。提供12或24V_DC線圈額定電壓，繼電器有兩個串聯接線的接線柱，可斷開或開關 600-1000V_DC。接線柱觸點可提供20A或25A開關電流。

• G2RG-X具有兩極觸點結構，采用兩極串聯接線，額定值為直流500V 10A 的 PCB 繼電器。適用于使用了DC300-400V的AC200V整流電路、直流供電、家用蓄電池等的沖擊電流防止電路的開閉，有助于設備的小型化。G2RG-X還可用于限制設備啟動時充電電流過度流向內部電容器的沖擊電流防止電路、以及設備停運時對內部電容器進行放電并降至安全電壓的放電電路。G2RG-X通過小型機身和較小的設置面積，有助于印刷電路板的小型化。貼裝底面積與G2R幾乎相同，實現DC500V 10A的高壓開閉。

貿博士點評

智慧能源可以做到什么程度？

能源數字化轉型大勢所趨，智慧化是綜合能源系統的技術支撐已經成為業內共識。

智慧能源生態要求在能源生產、能源儲運、能源管理與能源消費環節中更加“聰明”地管理與使用能源。這其中，云計算、移動互聯網、大數據、區塊鏈、5G技術的融合發展，正改變能源的生產、運行、傳輸模式，智慧能源系統應運而生——以電力系統為核心紐帶，構建多類型能源互聯網絡，從而實現整個能源系統的清潔低碳與安全高效，推動整個能源產業的升級革命。隨著“雙碳”時間表的推進，圍繞低碳、經濟、安全的新型電力系統的構建，高效率太陽能光伏電池、儲能技術、智能電網等技術的創新加速。同時，能源技術與數字技術的深度融合，不斷衍生新的業務模式和商業機會，展現更廣闊的市場空間。

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