Akkukäyttöiset energian varastointiratkaisut (ESS) eivät ole käytössä vain teollisuus- ja sähköntuotantosovelluksissa, vaan myös kotitalouksissa, mikä on muodostunut nykyisen sovelluksen ja markkinoiden kehityksen avaintekijäksi. Kotitalouksien ESS-ratkaisut vaativat vähemmän tehoa, mutta niillä on silti samat muunto-tehokkuus- ja turvallisuusvaatimukset kuin teollisuussovelluksilla. Tässä artikkelissa esittelemme kotitalouksien ESS-ratkaisujen markkinatrendin ja SiC:hen liittyvien ratkaisujen toiminnalliset ominaisuudet.
Kotitalouksien ESS energian varastointiin ja hallintaan
Kotitalouksien ESS on energian varastointiratkaisu, jota käytetään kodeissa sähköenergian varastointiin ja hallintaan energiatehokkuuden parantamiseksi, energiakustannusten vähentämiseksi ja energiansyötön vakauden lisäämiseksi. Kotitalouksien ESS-sovelluksiin kuuluu tyypillisesti aurinkoenergian tuotantojärjestelmät (aurinkosähköjärjestelmät, PV-järjestelmät), joissa aurinkopaneelit asennetaan yleensä katolle tai muuhun sopivaan paikkaan muuttamaan auringonvaloa tasavirraksi (DC) sähköenergiaksi.
ESS vaatii myös lataussäätimen, joka vastaa aurinkovoimajärjestelmän tuotannon valvonnasta ja sähkön virtauksen ohjauksesta energian varastointijärjestelmään, varmistaen, että aurinkovoimalla tuotettu sähkö varastoidaan akkuun. Akut ovat ESS:n ydinosa ja niitä käytetään varastoimaan päivän aikana tuotettua aurinkosähköä energian toimittamiseksi yöllä tai pilvisinä päivinä. Yleisiä nykyisiä akkuteknologioita ovat litiumioni- (Li-ion) ja lyijyhappoakut.
ESS vaatii myös invertterin, joka muuntaa akuissa varastoidun DC-virran vaihtovirraksi (AC) kodin laitteiden ja valaistuksen syöttämiseksi, sekä energianhallintajärjestelmän (EMS), joka valvoo kodin energiankulutusta, sääennusteita ja sähkön hintoja energian käytön ja varastoinnin optimoimiseksi. Se voi automaattisesti ohjata lataus- ja purkuprosessia optimaalisen energiatehokkuuden varmistamiseksi.
Kotitalouksien ESS voidaan myös liittää sähköverkkoon, jolloin kotitaloudet voivat ostaa sähköä tarpeen mukaan tai myydä ylimääräistä energiaa verkkoon, kun energiaa on riittävästi – tätä kahdensuuntaista energian virtausta kutsutaan "kaksisuuntaiseksi mittaroinniksi". Valvontajärjestelmän kautta kotitaloudet voivat seurata energiajärjestelmän toimintatilaa, energian tuotantoa ja kulutusta reaaliajassa sekä tehdä toiminnallisia säätöjä etäohjausjärjestelmän avulla, kuten muuttaa energian varastointijärjestelmän toimintatilaa tai asettaa lataus- ja purkuajat.
Kotitalouksien ESS-arkkitehtuuri voidaan mukauttaa erityistarpeisiin ja teknologioihin optimaalisen suorituskyvyn ja tehokkuuden varmistamiseksi. Tällaiset järjestelmät auttavat saavuttamaan energian omavaraisuuden, säästämään energiaa ja vähentämään päästöjä sekä tarjoamaan varavoimaa sähkökatkon sattuessa.
Kotitalouksien ESS-sovellukset eroavat teollisuussovelluksista vaatimusten osalta, pääasiallisina erona on, että kotitalouksien ESS:t vaativat pienemmän tehon, tyypillisesti alle 10 kW, niiden on tuettava kaksisuuntaista tehonmuunnosta, käytettävä pääasiassa korkeatehokkaita AC/DC-topologioita, joilla on korkeat EMC-ominaisuudet, sekä korkeatehokkaita DC/DC-topologioita, joilla on korkeat turvallisuusvaatimukset, ja niiden on tuettava laajaa jännitealuetta 360V - 550V. Akut sijoitetaan yleensä DC-puolelle, järjestelmän tehokkuuden on oltava yli 90 % ja järjestelmän vakauden luotettavaa, pyritään korkeaan tehotiheyteen, jotta saavutetaan pieni koko ja kevyt paino, sekä järjestelmän kustannusten alentamiseen, ja turvallisuus-, EMC-, melu- ja muut ominaisuusvaatimukset ovat korkeammat.
SiC ylittää piilaitteet
Edellä mainittujen vaatimusten täyttämiseksi piikarbidia (SiC) käytetään usein tehonmuunnossa, koska SiC-laitteilla on merkittäviä etuja, jotka voivat parantaa järjestelmän tehokkuutta suurilla virroilla ja korkeissa lämpötiloissa, ja SiC-materiaalien korkea sähkökentän kestävyys sallii SiC-laitteiden toimia korkeammilla jännitteillä, korkeammilla kestojännitteillä verrattuna piilaitteisiin, mikä tekee SiC-laitteista erityisen hyödyllisiä tehonmuunnossovelluksissa.
Tämä tekee SiC-laitteista erityisen hyödyllisiä tehonmuunnossovelluksissa.
Lisäksi SiC-laitteilla on korkeampi elektronien siirtymisnopeus, mikä tekee niistä ylivoimaisia korkeataajuussovelluksissa. Sovelluksissa, kuten korkeataajuisissa muuntimissa ja tehovahvistimissa, SiC-laitteet tarjoavat parannetun suorituskyvyn. SiC:n lämmönjohtavuus on kolminkertainen piihin verrattuna, mikä mahdollistaa pienemmän koon ja painon tehotiheyden lisäämiseksi, järjestelmän kustannusten optimoinnin, tilavuusyksikkökustannusten alentamisen, energian muuntamisen molempiin suuntiin sekä turvallisuuden ja luotettavuuden, saavuttaen 50 % koon pienennyksen ja alhaisemmat kustannukset wattia kohden, mikä tarkoittaa pienempiä ja kevyempiä laitteita samalla tehotasolla.
SiC-materiaalit ovat kemiallisesti stabiileja ja vähemmän alttiita syövyttäville aineille. Tämä tekee SiC-laitteista sopivampia joihinkin äärimmäisiin ympäristöihin. SiC-laitteilla on korkeat kantajanopeudet, mikä antaa niille nopeammat kytkentänopeudet. Tämä on hyödyllistä kytkentähäviöiden vähentämisessä, muunto-tehokkuuden lisäämisessä ja laitteen dynamiikan parantamisessa.
SiC-energian varastointiratkaisujen käyttö voi johtaa pienempään tuotteen kokoon ja painoon, mahdollistaa korkeamman kytkentätaajuuden ja pienempien magneettisten laitteiden käytön, kuten pienemmät muuntajat/induktorit, joiden häviöt ovat pienemmät, parempi lämmönpoisto, sama teho voidaan asentaa pienempään koteloon, ja verrattuna piin IGBT:ihin, SiC:n tehotiheys (W/Kg) on kaksinkertainen, korkean tehotiheyden ansiosta, ja se voi käyttää yksinkertaista kaksisuuntaista muuntajatopologiaa, jossa on vähemmän silmukan ohjausta ja korkeampi tehokkuus.
SiC-laitteilla on alhaisempi päällä oleva resistanssi tilavuusyksikköä kohden, alhaiset johtohäviöt, ei virran vetämistä katkaisun aikana, alhaiset kytkentähäviöt ja erittäin alhaiset runkodiodin palautushäviöt, ja ne voivat vähentää materiaaliluettelon sisältöä (BOM), parantaa järjestelmän kestävyyttä ja luotettavuutta.
DC-DC:n korkean jännitteen puolella suunnittelussa, esimerkiksi 500V:n väyläjännitteellä voidaan käyttää 1200V SiC:tä ja IGBT:tä, ohjausjännite 15V / -2,5V, kytkentätaajuus 30 kHz, piirin toisella puolella voidaan käyttää 650V SiC:tä ja IGBT:tä, ohjausjännite 15V / -2,5V, kytkentätaajuus 76 kHz. Korkean jännitteen puolella, kun SiC-laitteita käytetään, tehokkuus on korkeampi, SiC-tehoputket ohjataan 15V:lla ja ne ovat yhteensopivia IGBT-tehoputkiratkaisujen kanssa.
Haasteet ja ratkaisut kaksisuuntaisille DC/DC-muuntimille
Kaksisuuntaisen DC/DC-virtamuuntimen suunnittelussa ESS:lle on monia haasteita, kuten matalan puolen MOS Vds-jännitekuormituksen ongelman ratkaiseminen tasaisessa tilassa ja purkutilassa ilman kuormaa, ja ratkaisuna on lisätä muuntajan ensiöpuolen induktanssia 200µH:iin, mikä vähentää jännitekuormitusta 25 % ja parantaa tehokkuutta 6 %~7 %.
Lisäksi purkutilan ja käynnistyksen Vds-jännitekuormituksen ongelman ratkaisemiseksi ratkaisuna on käyttää PWM+PFM-hybridiohjausta tuloliitännässä, mikä vähentää jännitekuormitusta 27 %, ja Vmax on 124V 80V:ssa. Samoin purkutilassa resonanssikondensaattorin on kestettävä poikkeuksellisen korkea lämpötila (96℃@2100W), ja kondensaattori voidaan vaihtaa tyyppiin mkp21224/400VDC, mikä vähentää jännitekuormitusta 25 % ja parantaa tehokkuutta 6 %~7 %. /400VDC, resonanssikondensaattorin lämpötila voidaan alentaa 65℃@3000W.
Toisaalta purkutilassa toimintataajuus muuttuu äkillisesti 180 kHz:iin, ja vahvistuskäyrä ei ole vakaa. Tässä tapauksessa vahvistuskäyrä voidaan pitää vakaana säätämällä SRMOS:n kiinteä aikatoimintataajuus alle 180 kHz:n.
SiC MOSFET -tuotteet vastaavat DC-DC-suunnittelun tarpeisiin
Esimerkkinä 6600V 48V kaksisuuntainen korkeataajuinen eristetty DC-DC-viitesuunnittelu, sen latausosa voi tukea DC-väylän latausaluetta 380-480 VDC, DC-väylän latausvirta ≦16A, lähtöjännite 40-60 VDC, lähtövirta ≦140A, lähtöteho jopa 6,6 kW, lataustehokkuus jopa 95 % 420V:ssa, latausvirran aaltokerroin 1 %. Purkuosassa akun puolen jännitealue on 40-60 VDC, akun puolen virta ≦140A, DC-väylän jännitealue 380-480 VDC, lähtöteho jopa 6,6 kW, purkutehokkuus jopa 94 % 54V:ssa, ja väylän jänniteaaltokerroin on 1 %.
Tämä viitesuunnittelu toimii 43V-57V:n jännitealueella matalalla jännitteellä ilman Buck_Boost-säädintä, ja täydellä teholla 49V-57V, maksimivakaa lähtövirta on 142A ja maksimilyhytaikainen lähtövirta 150A (Vin = 420V, resistiivinen kuorma). Buck_Boost-säätimen kanssa matalan jännitteen puoli toimii 43V-57V, täydellä teholla 49V-60V, maksimivakaa lähtövirta on 145A ja maksimilyhytaikainen lähtövirta 150A (Vin = 420V, resistiivinen kuorma). Tämä viitesuunnittelu käyttää kahdeksaa Rohmin SCT3030AR TO-247 -koteloitua SiC MOSFET:iä sekä BM61S41RFV-C -porttiohjainta RJ1P12BBDTLL-teho-MOSFET:ien kanssa.
Rohmin SCT3030AR on 650V Nch SiC MOSFET 4-nastaisessa kotelossa, ja se on uraporttinen SiC MOSFET, joka sopii ihanteellisesti palvelinvirtalähteisiin, aurinkoinverttereihin ja sähköajoneuvojen latausasemille, jotka vaativat korkeaa tehokkuutta jne. Se on saatavilla 4-nastaisessa kotelossa, joka erottaa virtalähteen nastan ohjaimen nastasta, mikä maksimoi nopean kytkennän suorituskyvyn. Erityisesti se parantaa merkittävästi johtohäviöitä, vähentäen johtohäviöitä ja katkaisuhäviöitä yhteensä noin 35 % verrattuna aiempaan 3-nastaiseen koteloon (TO-247N).
Rohmin SCT3030AR:lla on alhainen päällä oleva resistanssi, nopea kytkentänopeus, nopea käänteinen palautuminen, helppo rinnankytkentä ja yksinkertainen ohjaus, ja se on saatavilla lyijytöntä pinnoitetta käyttäen, RoHS-yhteensopiva laaja-alaisiin sovelluksiin, kuten aurinkoinverttereihin, DC/DC-muuntimiin, kytkentävirtalähteisiin, induktiolämmitykseen ja moottoriohjauksiin.
BM61S41RFV-C on porttiohjain, jonka eristysjännite on 3750 Vrms, maksimiohjausjännite 24V, maksimisyöttöviive 65 ns, minimituloimpulssin leveys 60 ns, lähtövirta 4A, alijännitesuoja (UVLO) ja aktiivinen Millerin lukitus, AEC-Q100-standardin mukainen ja SSOP-B10W-kotelossa. RJ1P12BBD on Nch 100V 120A teho-MOSFET, jolla on alhainen päällä oleva resistanssi, korkea teho pienessä sirukotelossa, lyijytön pinnoite, RoHS-yhteensopiva, halogeeniton ja UIS-testattu.
Yhteenveto
Kun vihreä energia saa yhä enemmän merkitystä kansainvälisessä yhteisössä, se myös vauhdittaa kotitalouksien ESS-sovellusten nopeaa kehitystä, joka sisältää huomattavan määrän elektronisia komponentteja ja ratkaisuja, ja edustaa myös valtavaa markkinamahdollisuutta.
