提升能源利用效率的住宅儲能解決方案

電池儲能（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(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)奈恢茫瑢㈥柟廪D(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，并控制電能流向儲能系統(tǒng)，它可確保將太陽能產(chǎn)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(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(wǎng)，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(wǎng)，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(shí)時監(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，例如改變儲能系統(tǒng)的工作模式或設(shè)定充放電時間。

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)洌约案咝省⒏甙踩?a target="_blank">規(guī)格的DC/DC拓?fù)洌仨氈С?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器件的載子移動速度高，使其具有更快的開關(guān)速度。這對于減小開關(guān)損耗、提高轉(zhuǎn)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(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)洌洵h(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)堅固耐用，可靠性更高。

以DC-DC高壓側(cè)的設(shè)計為例，在母線電壓500V時可采用1200V SiC與IGBT，驅(qū)動電壓為15V/-2.5V，開關(guān)頻率為30kHz，電路另一邊可采用650V SiC與IGBT，驅(qū)動電壓15V/-2.5V，開關(guān)頻率76kHz。在高壓側(cè)電路采用SiC器件時的效率更高，SiC功率管采用15V驅(qū)動，并可兼容IGBT功率管方案。

雙向DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計挑戰(zhàn)與解決方案

在設(shè)計用于ESS的雙向DC/DC電源轉(zhuǎn)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(cè)MOS Vds應(yīng)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(yīng)力將可降低25%，效率提高6%~7%。

此外，需解決在放電模式、啟動時的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(dǎo)通時間頻率點(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時可達(dá)94%，母線電壓紋波系數(shù)為1%。

這個參考設(shè)計在沒有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，最大短時輸出電流為150A（Vin = 420V，電阻負(fù)載）。這個參考設(shè)計采用了8片Rohm的SCT3030AR TO-247封裝SiC MOSFET，以及BM61S41RFV-C柵極驅(qū)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(wù)器用電源、太陽能逆變器及電動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)動等領(lǐng)域。

BM61S41RFV-C則是一款柵極驅(qū)動器，隔離電壓為3750 Vrms，最大柵極驅(qū)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(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重視，也推動著住宅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。

審核編輯：劉清