提升能源利用效率的住宅储能解决方案
【导读】电池储能（ESS）解决方案除了应用于工业、发电之外，在家庭住宅部分，也成为当前应用与市场发展的关键。住宅的ESS解决方案所需的功率较小，但对转换效率与安全性的要求，仍与工业应用相同。本文将为您介绍住宅ESS解决方案的市场趋势，以及艾睿电子与Rohm推出的SiC相关解决方案的功能特性。
电池储能（ESS）解决方案除了应用于工业、发电之外，在家庭住宅部分，也成为当前应用与市场发展的关键。住宅的ESS解决方案所需的功率较小，但对转换效率与安全性的要求，仍与工业应用相同。本文将为您介绍住宅ESS解决方案的市场趋势，以及艾睿电子与Rohm推出的SiC相关解决方案的功能特性。
可存储和管理电能的住宅ESS应用
住宅ESS是一种在住宅中使用的能源存储解决方案，旨在存储和管理电能，以提高能源使用效率、降低能源成本和增加能源供应稳定性。住宅ESS应用通常包括太阳能发电系统（光伏系统），太阳能光伏板通常安装在屋顶或其他适当的位置，将阳光转换为直流电能。
ESS还需要有充电控制器来负责监测太阳能发电系统的输出，并控制电能流向储能系统，它可确保将太阳能产生的电能存储到电池中。电池是ESS的核心元器件，用于存储白天太阳能发电的电能，以在晚上或阴天供应能源。目前常见的电池技术包括锂离子电池（Li-ion）和铅酸电池。
ESS还需要逆变器来将存储在电池中的直流电转换为交流电，以供应家庭中的电器和照明设备使用，并利用能源管理系统（EMS）来监控家庭的能源使用情况、天气预报和电价等信息，以优化能源的使用和存储。它可以自动控制充电和放电过程，以确保最佳的能源效益。
住宅ESS还可连接到电网，使家庭能够在需要时购买电能，或在能源充足时将多余的能量销售给电网，这种双向能量流的能力被称为「双向计量」。通过监控系统，家庭居民可以实时监控能源系统的运行状态、能源产生和消耗情况，并通过远程控制系统进行操作调整，例如改变储能系统的工作模式或设定充放电时间。
住宅ESS的架构可以根据特定的需求和技术进行调整，以确保最佳的性能和效益。这种系统有助于实现能源的自给自足、节能减排，并在电网停电时提供备用电源。
住宅的ESS应用与工业应用在需求上有所不同，主要差别在于住宅ESS所需的功率较低，一般需求功率小于10kW，必须支持双向功率转换，大多采用高效率的高电磁兼容特性的AC/DC拓扑，以及高效率、高安全规格的DC/DC拓扑，必须支持360V - 550V的宽范围母线电压，其电池通常放置在直流侧，要求系统效率超过90%，并需具备可靠的系统稳定性，追求高功率密度，达到小尺寸、重量轻的目标，并需求降低系统成本，并对安规、EMC、噪音等特性的要求较高。
SiC相较于硅器件拥有更优的性能表现
为了达到上述的要求，通常需要采用碳化硅（SiC）来进行功率的转换，这是因为SiC器件具有一些显著的优势，在大电流和高温条件下可提高系统效率，SiC材料的高电场韧性使得SiC器件能够达到更高的电压操作，相较于硅器件有更高的耐受电压，这使得SiC器件在功率转换应用中特别有用。
此外，SiC器件的电子迁移速度较大，这使其在高频应用中表现优越。对于高频变换器和功率放大器等应用，SiC器件提供了更好的性能。SiC的热导率是硅器件的3倍，并可实现更小的尺寸和重量，以提高功率密度、优化系统成本，其单位体积成本下降，能量可进行双向转换，且安全又可靠，可达到减小50%体积和降低每瓦特单位成本的目标，这意味着相同功率水平下的器件体积更小，重量更轻。
SiC材料在化学性质上较为稳定，对于一些腐蚀性物质的侵蚀较小。这使得SiC器件在一些极端环境下的应用更加适用。SiC器件的载子移动速度高，使其具有更快的开关速度。这对于减小开关损耗、提高转换效率，以及改善器件动态特性非常有益。
采用SiC储能方案可拥有更小的产品尺寸和重量，可实现更高的开关频率，并因采用更小的磁性器件，可使用更小的变压器／电感器，其损耗更小、散热效果更好，相同的功率可以安装在更小的外壳中，与硅IGBT相比，SiC的功率密度（W/Kg）增加一倍，拥有高功率密度，并可使用简单的双向变换器拓扑，其环路控制更少，拥有更高的效率。
SiC器件具有单位体积导通电阻更低，导通损耗低，在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，且体二极管的恢复损耗非常小，并可减少物料清单内容（BOM），系统坚固耐用，可靠性更高。
以DC-DC高压侧的设计为例，在母线电压500V时可采用1200V SiC与IGBT，驱动电压为15V/-2.5V，开关频率为30kHz，电路另一边可采用650V SiC与IGBT，驱动电压15V/-2.5V，开关频率76kHz。在高压侧电路采用SiC器件时的效率更高，SiC功率管采用15V驱动，并可兼容IGBT功率管方案。
双向DC/DC电源转换器的设计挑战与解决方案
在设计用于ESS的双向DC/DC电源转换器时面对诸多挑战，像是在放电模式下，需解决稳态工作和空载情况下的低侧MOS Vds应力问题，解决方案是在变压器初级将电感增加至200μH，如此一来电压应力将可降低25%，效率提高6%~7%。
此外，需解决在放电模式、启动时的Vds电压应力问题，解决方案为在输入端口采用PWM+PFM混合控制，其电压应力将可降低27%，在80V时Vmax为124V。同样地，在放电模式下，需面对谐振电容异常高温（96℃@2100W），此时可将电容型号改为mkp21224/400VDC，便可将谐振电容温度降至65℃@3000W。
另一方面，在放电模式下，工作频率会突然变动到180kHz附近，增益曲线不平稳，此时可将SRMOS固定导通时间频率点调谐至低于180 kHz，便可将增益曲线维持平稳。
SiC MOSFET产品满足DC-DC设计需求
以深圳威勤电子与艾睿电子提供支持的6600V 48V双向高频隔离DC-DC参考设计为例，其在充电部分可支持380-480 VDC的直流母线充电范围，直流母线充电电流≦16A，输出电压为40-60 VDC，输出电流≦140A，输出功率最大可达6.6 kW，充电效率在420V时可达95%，充电电流纹波系数为1%。在放电部分的电池侧电压范围为40-60 VDC，电池侧电流≦140A，直流母线电压范围为380-480 VDC，输出功率最大可达6.6 kW，放电效率在54V时可达94%，母线电压纹波系数为1%。
这个参考设计在没有Buck_Boost调节器的情况下，低压侧工作的范围是43V-57V，满功率的工作范围是49V-57V，最大稳定输出电流为142A，最大短时输出电流为150A（Vin = 420V，电阻负载）。在有Buck_Boost调节器的情况下，低压侧工作的范围是43V-57V，满功率的工作范围是49V-60V，最大稳定输出电流为145A，最大短时输出电流为150A（Vin = 420V，电阻负载）。这个参考设计采用了8片Rohm的SCT3030AR TO-247封装SiC MOSFET，以及BM61S41RFV-C栅极驱动器与RJ1P12BBDTLL功率MOSFET。
Rohm的SCT3030AR是支持650V Nch 4引脚封装的SiC MOSFET，是非常适用于要求高效率的服务器用电源、太阳能逆变器及电动汽车充电站等的沟槽栅结构SiC MOSFET。其采用电源源极引脚和驱动器源极引脚分离的4引脚封装，能够最大限度地发挥出高速开关性能，尤其是可以显著改善导通损耗，与以往的3引脚封装（TO-247N）相比，导通损耗和关断损耗合计可降低约35%。
Rohm的SCT3030AR具有低导通电阻、开关速度快、快速反向恢复、易于并联、驱动简单等特性，采用无铅电镀封装，符合RoHS标准，可广泛应用于太阳能逆变器、DC/DC转换器、开关电源、感应加热与电机驱动等领域。
BM61S41RFV-C则是一款栅极驱动器，隔离电压为3750 Vrms，最大栅极驱动电压为24V，I/O延迟时间最大为65 ns，最小输入脉冲宽度为60 ns，输出电流为4A，具有欠压锁定（UVLO）功能和主动米勒钳位功能，符合AEC-Q100标准，采用SSOP-B10W封装。RJ1P12BBD则为Nch 100V 120A的功率MOSFET，具有低导通电阻、高功率小模封装，采用无铅电镀封装，符合RoHS标准，无卤素并通过UIS测试。
结语
随着绿色能源越来越受到国际社会重视，也推动着住宅ESS应用的快速发展，其中牵涉到相当多的电子元器件与解决方案，代表着庞大的市场商机。艾睿电子能够协助客户开发ESS应用的DC-DC解决方案，Rohm的SiC MOSFET与相关产品则可满足DC-DC的应用需求，若想了解更多详细的信息，请直接与艾睿电子联络。
文章来源：艾睿电子
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