Batteri energilagringslösningar (ESS) används inte bara inom industri och kraftproduktion, utan även i den privata sektorn, vilket har blivit nyckeln till den nuvarande tillämpningen och marknadsutvecklingen. Bostads-ESS-lösningar kräver mindre effekt, men har fortfarande samma omvandlingseffektivitet och säkerhetskrav som industriella tillämpningar. I denna artikel kommer vi att introducera dig till marknadstrenden för bostads-ESS-lösningar och presentera de funktionella egenskaperna hos SiC-relaterade lösningar.
Bostads-ESS för lagring och hantering av energi
Bostads-ESS är en energilagringslösning som används i hem för att lagra och hantera elektrisk energi för att förbättra energieffektiviteten, minska energikostnader och öka stabiliteten i energiförsörjningen. Bostads-ESS-tillämpningar inkluderar vanligtvis solkraftsystem (fotovoltaiska (PV) system), där solpaneler vanligtvis monteras på taket eller annan lämplig plats för att omvandla solljus till likström (DC) elektrisk energi.
Ett ESS kräver också en laddningskontroller som ansvarar för att övervaka utgången från solkraftsystemet och styra flödet av elektricitet till energilagringssystemet, vilket säkerställer att den solgenererade elektriciteten lagras i ett batteri. Batterier är den centrala komponenten i ESS och används för att lagra den solgenererade elektriciteten under dagen för att förse med energi på natten eller under molniga dagar. Vanliga batteriteknologier som finns tillgängliga idag inkluderar litiumjon (Li-ion) och bly-syra batterier.
ESS kräver också en växelriktare för att omvandla den likström som lagras i batterierna till växelström (AC) för att förse apparater och belysning i hemmet, samt ett energihanteringssystem (EMS) för att övervaka hemmets energianvändning, väderprognoser och elpriser för att optimera energianvändning och lagring. Det kan automatiskt styra laddnings- och urladdningsprocessen för att säkerställa optimal energieffektivitet.
Det bostads-ESS kan också kopplas till elnätet, vilket gör det möjligt för hushåll att köpa elektricitet vid behov eller sälja överskottsenergi till nätet när det finns tillräckligt med energi – denna förmåga att flöda energi i båda riktningarna kallas "tvåvägsmätning". Genom övervakningssystemet kan hushåll övervaka energisystemets driftstatus, energiproduktion och konsumtion i realtid och göra driftsjusteringar via fjärrkontrollsystemet, såsom att ändra driftläget för energilagringssystemet eller ställa in laddnings- och urladdningstider.
Arkitekturen för ett bostads-ESS kan anpassas till specifika behov och teknologier för att säkerställa optimal prestanda och effektivitet. Sådana system hjälper till att uppnå energisjälvförsörjning, spara energi och minska utsläpp, samt tillhandahålla reservkraft vid elnätets avbrott.
Bostads-ESS-tillämpningar skiljer sig från industriella tillämpningar vad gäller krav, där de största skillnaderna är att bostads-ESS kräver lägre effekt, vanligtvis mindre än 10 kW, måste stödja tvåvägs effektomvandling, använder mestadels hög effektiva AC/DC-topologier med höga EMC-egenskaper, samt hög effektiva DC/DC-topologier med höga säkerhetsspecifikationer, och måste stödja ett brett spann av buss-spänningar från 360V till 550V. Batterierna placeras vanligtvis på DC-sidan, vilket kräver systemeffektivitet på mer än 90 % och pålitlig systemstabilitet, strävan efter hög effekttäthet för att uppnå målet om liten storlek och låg vikt, samt behovet av att minska systemkostnaden och högre krav på säkerhet, EMC, buller och andra egenskaper.
SiC överträffar kiselbaserade enheter
För att möta ovanstående krav krävs ofta kiselkarbid (SiC) för effektomvandling, på grund av några betydande fördelar med SiC-enheter, som kan förbättra systemeffektiviteten vid höga strömmar och höga temperaturer, och den höga elektriska fältstyrkan hos SiC-material tillåter SiC-enheter att arbeta vid högre spänningar, med högre tålighet jämfört med kiselbaserade enheter, vilket gör SiC-enheter särskilt användbara i effektomvandlingsapplikationer.
Detta gör SiC-enheter särskilt användbara i effektomvandlingsapplikationer.
Dessutom har SiC-enheter en högre elektronmigrationshastighet, vilket gör dem överlägsna i högfrekventa applikationer. För applikationer som högfrekventa omvandlare och effektförstärkare erbjuder SiC-enheter förbättrad prestanda. SiC:s termiska ledningsförmåga är tre gånger högre än kisels och möjliggör mindre storlek och vikt för att öka effekttätheten, optimera systemkostnaden, minska kostnaden per volymenhet, omvandla energi i båda riktningar och vara säker och pålitlig, vilket uppnår en 50 % minskning i storlek och lägre kostnad per watt, vilket innebär mindre och lättare enheter vid samma effektnivå.
SiC-material är kemiskt stabila och mindre mottagliga för korrosiva ämnen. Detta gör SiC-enheter mer lämpliga för applikationer i vissa extrema miljöer. SiC-enheter har höga bärare rörelsehastigheter, vilket ger snabbare växlingshastigheter. Detta är fördelaktigt för att minska växlingsförluster, öka omvandlingseffektiviteten och förbättra enhetens dynamik.
Användningen av SiC-energilagringslösningar kan ge en mindre produktstorlek och vikt, möjliggöra högre växlingsfrekvens och på grund av användningen av mindre magnetiska komponenter, kan mindre transformatorer/induktorer användas, med mindre förluster, bättre värmeavledning, samma effekt kan monteras i ett mindre hölje, och jämfört med kisel-IGBT:er fördubblas SiC:s effekttäthet (W/kg), med hög effekttäthet, och kan använda enkel tvåvägsomvandlartopologi med mindre loopkontroll och högre effektivitet.
SiC-enheter har lägre på-motstånd per volymenhet, låga ledningsförluster, ingen strömdragning vid avstängning, låga växlingsförluster och mycket låga kroppsdiodåterhämtningsförluster, och kan minska innehållet i materiallistan (BOM), systemets robusthet och högre tillförlitlighet.
DC-DC högspänningssidan i designen, till exempel vid buss-spänning 500V kan 1200V SiC och IGBT användas, drivspänning 15V / -2,5V, växlingsfrekvens 30 kHz, den andra sidan av kretsen kan använda 650V SiC och IGBT, drivspänning 15V / -2,5V, växlingsfrekvens 76 kHz. Högspänningssidan av kretsen när SiC-enheten används ger högre effektivitet. När SiC-enheter används i högspänningssidan drivs SiC-effektrör med 15V och är kompatibla med IGBT-effektrörslösningar.
Utmaningar och lösningar för tvåvägs DC/DC-omvandlare
Det finns många utmaningar vid design av en tvåvägs DC/DC-effektomvandlare för ESS, såsom att lösa problemet med låg-sidans MOS Vds-spänning i steady state drift och tomgångsläge i urladdningsläge, och lösningen är att öka induktansen i transformatorns primär till 200µH, vilket minskar spänningsspänningen med 25 % och förbättrar effektiviteten med 6 %~7 %.
Dessutom, för att lösa problemet med Vds-spänningsstress i urladdningsläge och start, är lösningen att använda PWM+PFM hybridkontroll vid ingångsporten, vilket minskar spänningsspänningen med 27 %, och Vmax är 124V vid 80V. På samma sätt, i urladdningsläge, måste resonanskondensatorn tåla onormalt hög temperatur (96℃@2100W), och kondensatorn kan bytas till mkp21224/400VDC, vilket minskar spänningsspänningen med 25 % och förbättrar effektiviteten med 6 %~7 %. /400VDC, resonanskondensatorns temperatur kan sänkas till 65℃@3000W.
Å andra sidan, i urladdningsläge kommer driftfrekvensen plötsligt att ändras till 180 kHz, och förstärkningskurvan är inte stabil. I detta fall kan förstärkningskurvan hållas stabil genom att justera SRMOS fast on-time-frekvenspunkt till under 180 kHz.
SiC MOSFET-produkter uppfyller DC-DC-designbehov
Med 6600V 48V tvåvägs högfrekvent isolerad DC-DC-referensdesign som exempel kan dess laddningsdel stödja ett DC-bussladdningsområde på 380-480 VDC, DC-bussladdningsström ≦16A, utgångsspänning på 40-60 VDC, utgångsström ≦140A, uteffekt upp till 6,6 kW, laddningseffektivitet upp till 95 % vid 420V, laddningsströmssvängningsfaktor är 1 %. I urladdningssektionen är batterisidans spänningsområde 40-60 VDC, batterisidans ström ≦140A, DC-bussens spänningsområde är 380-480 VDC, uteffekten är upp till 6,6 kW, urladdningseffektiviteten är upp till 94 % vid 54V, och bussens spänningssvängningskoefficient är 1 %.
Denna referensdesign fungerar från 43V-57V på lågspänningssidan utan Buck_Boost-regulator, och från 49V-57V vid full effekt, med en maximal stabiliserad utgångsström på 142A och en maximal korttidsutgångsström på 150A (Vin = 420V, resistiv last). Med Buck_Boost-regulatorn fungerar lågspänningssidan från 43V-57V, det fulla effektområdet är 49V-60V, den maximala stabiliserade utgångsströmmen är 145A och den maximala korttidsutgångsströmmen är 150A (Vin = 420V, resistiv last). Denna referensdesign använder åtta av Rohms SCT3030AR TO-247-paketerade SiC MOSFET:ar, samt BM61S41RFV-C grinddrivare med RJ1P12BBDTLL effekt MOSFET:ar.
Rohms SCT3030AR är en SiC MOSFET som stödjer 650V Nch i ett 4-stifts paket, och är en trench gate SiC MOSFET som är idealisk för serverkraftförsörjningar, solväxelriktare och laddstationer för elfordon som kräver hög effektivitet, etc. Den finns i ett 4-stifts paket som separerar strömkällans stift från drivkällans stift, vilket maximerar hög hastighets växlingsprestanda. Särskilt förbättrar den ledningsförlusten avsevärt, minskar ledningsförlust och avstängningsförlust med totalt cirka 35 % jämfört med det tidigare 3-stifts paketet (TO-247N).
Rohms SCT3030AR har låg på-motstånd, snabb växlingshastighet, snabb omvänd återhämtning, enkel parallellkoppling och enkel drivning, och finns i ett blyfritt förnicklat paket som är RoHS-kompatibelt för ett brett spektrum av applikationer såsom solväxelriktare, DC/DC-omvandlare, switchande strömförsörjningar, induktionsuppvärmning och motordrifter.
BM61S41RFV-C är en grinddrivare med isolationsspänning på 3750 Vrms, maximal grinddrivspänning på 24V, maximal I/O-fördröjningstid på 65 ns, minsta ingångspulsbredd på 60 ns, utgångsström på 4A, undervoltagespärr (UVLO) funktion och aktiv Miller-klämfunktion, uppfyller AEC-Q100-standarden och använder SSOP-B10W-paket. RJ1P12BBD är en Nch 100V 120A effekt MOSFET med lågt på-motstånd, hög effekt i ett litet die-paket, blyfri förnickling, RoHS-kompatibel, halogenfri och UIS-testad.
Slutsats
När grön energi blir allt viktigare för det internationella samfundet driver det också den snabba utvecklingen av bostads-ESS-tillämpningar, vilket involverar ett betydande antal elektroniska komponenter och lösningar, och representerar också en enorm marknadsmöjlighet.
