Batteri Energilagringsløsninger (ESS) anvendes ikke kun i industrielle og kraftgenereringsapplikationer, men også i den private del af familien, hvilket er blevet nøglen til den nuværende anvendelse og markedsudvikling. Bolig-ESS-løsninger kræver mindre effekt, men har stadig de samme konverteringseffektivitet og sikkerhedskrav som industrielle applikationer. I denne artikel vil vi introducere dig til markedstendensen for bolig-ESS-løsninger og præsentere de funktionelle egenskaber ved SiC-relaterede løsninger.
Bolig-ESS til lagring og styring af energi
Bolig-ESS er en energilagringsløsning, der anvendes i hjem til at lagre og styre elektrisk energi for at forbedre energieffektiviteten, reducere energikostnader og øge stabiliteten i energiforsyningen. Bolig-ESS-applikationer inkluderer typisk solenergisystemer (fotovoltaiske (PV) systemer), hvor solcellepaneler typisk monteres på taget eller et andet passende sted for at omdanne sollys til jævnstrøm (DC) elektrisk energi.
Et ESS kræver også en ladekontroller, der er ansvarlig for at overvåge outputtet fra solenergisystemet og styre strømmen af elektricitet til energilagringssystemet, hvilket sikrer, at den solgenererede elektricitet lagres i et batteri. Batterier er den centrale komponent i ESS og bruges til at lagre den solgenererede elektricitet i løbet af dagen for at levere energi om natten eller på overskyede dage. Almindelige batteriteknologier i dag inkluderer lithium-ion (Li-ion) og blysyrebatterier.
ESS kræver også en inverter til at omdanne den DC-strøm, der er lagret i batterierne, til AC-strøm for at forsyne apparater og belysning i hjemmet, samt et energistyringssystem (EMS) til at overvåge hjemmets energiforbrug, vejrprognoser og elpriser for at optimere energiforbruget og lagringen. Det kan automatisk styre lade- og afladningsprocessen for at sikre optimal energieffektivitet.
Bolig-ESS kan også forbindes til elnettet, hvilket gør det muligt for husholdninger at købe elektricitet efter behov eller sælge overskydende energi til nettet, når der er tilstrækkelig energi – denne evne til at lade energien flyde i begge retninger kaldes 'to-vejs måling'. Gennem overvågningssystemet kan husstande overvåge energisystemets driftsstatus, energiproduktion og forbrug i realtid og foretage driftsjusteringer via fjernbetjeningssystemet, såsom at ændre driftsmodus for energilagringssystemet eller indstille lade- og afladningstider.
Arkitekturen af et bolig-ESS kan tilpasses specifikke behov og teknologier for at sikre optimal ydeevne og effektivitet. Sådanne systemer hjælper med at opnå energiselvforsyning, spare energi og reducere emissioner samt levere backup-strøm i tilfælde af strømafbrydelse.
Bolig-ESS-applikationer adskiller sig fra industrielle applikationer med hensyn til krav, hvor de vigtigste forskelle er, at bolig-ESS kræver lavere effekt, typisk under 10kW, skal understøtte to-vejs effektkonvertering, bruger for det meste højeffektive AC/DC-topologier med høje EMC-egenskaber samt højeffektive DC/DC-topologier med høje sikkerhedsspecifikationer, og skal understøtte et bredt spændingsområde fra 360V - 550V. Batterierne placeres normalt på DC-siden, hvilket kræver systemeffektivitet på over 90% og pålidelig systemstabilitet, jagten på høj effekttæthed for at opnå målet om lille størrelse og lav vægt, behovet for at reducere systemomkostninger samt højere krav til sikkerhed, EMC, støj og andre egenskaber.
SiC overgår silicium-enheder
For at opfylde ovenstående krav er siliciumkarbid (SiC) ofte nødvendigt til effektkonvertering på grund af nogle betydelige fordele ved SiC-enheder, som kan forbedre systemeffektiviteten ved høje strømme og høje temperaturer, og den høje elektriske feltstyrke i SiC-materialer tillader SiC-enheder at operere ved højere spændinger med højere modstandsspændinger sammenlignet med silicium-enheder, hvilket gør SiC-enheder særligt nyttige i effektkonverteringsapplikationer.
Dette gør SiC-enheder særligt nyttige i effektkonverteringsapplikationer.
Derudover har SiC-enheder en højere elektronmigrationshastighed, hvilket gør dem overlegne i højfrekvente applikationer. Til applikationer som højfrekvente konvertere og effektforstærkere tilbyder SiC-enheder forbedret ydeevne. SiC's termiske ledningsevne er tre gange så høj som siliciums og tillader mindre størrelse og vægt for at øge effekttætheden, optimere systemomkostninger, reducere omkostninger pr. volumenhed, konvertere energi i begge retninger og være sikre og pålidelige, hvilket opnår en 50% reduktion i størrelse og lavere omkostninger pr. watt, hvilket betyder mindre og lettere enheder ved samme effektniveau.
SiC-materialer er kemisk stabile og mindre modtagelige for ætsende stoffer. Dette gør SiC-enheder mere egnede til applikationer i nogle ekstreme miljøer. SiC-enheder har høje ladningsbærerrater, hvilket giver dem hurtigere omskiftningshastigheder. Dette er gavnligt for at reducere omskiftnings-tab, øge konverteringseffektiviteten og forbedre enhedens dynamik.
Brugen af SiC energilagringsløsninger kan have en mindre produktstørrelse og vægt, kan opnå højere omskiftningsfrekvens, og på grund af brugen af mindre magnetiske enheder kan mindre transformere/induktorer anvendes, hvilket giver mindre tab, bedre varmeafledning, samme effekt kan monteres i et mindre kabinet, og sammenlignet med silicium IGBTs fordobles SiC's effekttæthed (W / Kg), med høj effekttæthed, og kan bruge den simple to-vejs konvertertopologi med mindre loop-kontrol og højere effektivitet.
SiC-enheder har lavere tændingsmodstand pr. volumenhed, lave ledningstab, ingen strømtræk ved slukning, lave omskiftningstab og meget lave body diode genopretningstab, og kan reducere materialelisteindholdet (BOM), systemets robusthed og højere pålidelighed.
DC-DC højspændingssiden af designet, for eksempel ved busspænding 500V kan anvendes 1200V SiC og IGBT, drivspænding 15V / -2,5V, omskiftningsfrekvens på 30kHz, den anden side af kredsløbet kan anvende 650V SiC og IGBT, drivspænding 15V / -2,5V, omskiftningsfrekvens på 76kHz. Højspændingssiden af kredsløbet når SiC-enhedens effektivitet er højere, når SiC-enheder anvendes i højspændingssiden af kredsløbet, drives SiC-effektrør med 15V og er kompatible med IGBT-effektrørsløsninger.
Udfordringer og løsninger for to-vejs DC/DC-konvertere
Der er mange udfordringer ved design af en to-vejs DC/DC-effektkonverter til ESS, såsom at løse problemet med lav-sides MOS Vds-spænding i steady state drift og ingen belastningstilstand i afladningstilstand, og løsningen er at øge induktansen i transformatorens primær til 200µH, hvilket reducerer spændingsstress med 25% og forbedrer effektiviteten med 6%~7%.
Derudover, for at løse problemet med Vds spændingsstress i afladningstilstand og opstart, er løsningen at bruge PWM+PFM hybridkontrol ved indgangsporten, hvilket vil reducere spændingsstress med 27%, og Vmax er 124V ved 80V. Ligeledes i afladningstilstand skal resonanskapacitoren kunne tåle unormalt høje temperaturer (96℃@2100W), og kondensatoren kan ændres til mkp21224/400VDC, hvilket vil reducere spændingsstress med 25% og forbedre effektiviteten med 6%~7%. /400VDC, resonanskapacitorens temperatur kan reduceres til 65℃@3000W.
På den anden side, i afladningstilstand vil driftsfrekvensen pludselig ændre sig til 180 kHz, og gevinstkurven er ikke stabil. I dette tilfælde kan gevinstkurven holdes stabil ved at justere SRMOS fast on-time frekvenspunkt til under 180 kHz.
SiC MOSFET-produkter opfylder DC-DC designbehov
Med 6600V 48V to-vejs højfrekvent isoleret DC-DC reference design som eksempel kan dens ladeafsnit understøtte et DC-bus ladningsområde på 380-480 VDC, DC-bus ladningsstrøm ≦16A, udgangsspænding på 40-60 VDC, udgangsstrøm ≦140A, udgangseffekt op til 6,6 kW, ladeeffektivitet op til 95% ved 420V, ladningsstrømsripplefaktor er 1%. I afladningssektionen er batterisidens spændingsområde 40-60 VDC, batterisidens strøm ≦140A, DC-bus spændingsområde er 380-480 VDC, udgangseffekt op til 6,6 kW, afladningseffektivitet op til 94% ved 54V, og busspændingsripplekoefficienten er 1%.
Dette referencedesign opererer fra 43V-57V på lavspændingssiden uden Buck_Boost regulator, og fra 49V-57V ved fuld effekt, med en maksimal stabiliseret udgangsstrøm på 142A og en maksimal kortvarig udgangsstrøm på 150A (Vin = 420V, resistiv belastning). Med Buck_Boost regulatoren opererer lavspændingssiden fra 43V-57V, fuld effekt driftsområde er 49V-60V, maksimal stabiliseret udgangsstrøm er 145A, og maksimal kortvarig udgangsstrøm er 150A (Vin = 420V, resistiv belastning). Dette referencedesign anvender otte af Rohms SCT3030AR TO-247 pakkede SiC MOSFETs samt BM61S41RFV-C gate driver med RJ1P12BBDTLL effekt MOSFETs.
Rohms SCT3030AR er en SiC MOSFET, der understøtter 650V Nch i en 4-pin pakke, og er en trench gate SiC MOSFET, der er ideel til server strømforsyninger, solinvertere og ladestationer til elbiler, som kræver høj effektivitet osv. Den fås i en 4-pin pakke, der adskiller strømforsyningskildepinnen fra driverkildepinnen, hvilket maksimerer højhastigheds omskiftningsydelse. Især forbedrer den betydeligt ledningstabet, reducerer ledningstab og slukningstab med samlet cirka 35% sammenlignet med den tidligere 3-pin pakke (TO-247N).
Rohms SCT3030AR har lav tændingsmodstand, hurtig omskiftningshastighed, hurtig omvendt genopretning, nem parallelling og enkel styring, og fås i en blyfri belagt pakke, der er RoHS-kompatibel til en bred vifte af applikationer såsom solinvertere, DC/DC-konvertere, switch-mode strømforsyninger, induktionsopvarmning og motordrev.
BM61S41RFV-C er en gate driver med isolationsspænding på 3750 Vrms, maksimal gate drive spænding på 24V, maksimal I/O forsinkelsestid på 65 ns, minimum input puls bredde på 60 ns, udgangsstrøm på 4A, undervolt låsefunktion (UVLO) og aktiv Miller clamp funktion, overholder AEC-Q100 standarden og anvender SSOP-B10W pakke. RJ1P12BBD er en Nch 100V 120A effekt MOSFET med lav tændingsmodstand, høj effekt i en lille die pakke, blyfri belægning, RoHS-kompatibel, halogenfri og UIS testet.
Konklusion
Efterhånden som grøn energi bliver mere og mere vigtig for det internationale samfund, driver det også den hurtige udvikling af bolig-ESS-applikationer, som involverer et betydeligt antal elektroniske komponenter og løsninger og også repræsenterer en enorm markedsmulighed.
