住宅储能解决方案以提升能源效率

住宅能源存储解决方案 (ESS) 不仅应用于工业和发电领域，还在住宅领域变得至关重要，体现了当前的应用与市场趋势。虽然住宅能源存储解决方案对功率的需求较低，但对效率和安全性的要求依然与工业应用相当。本篇文章将为您介绍住宅能源存储解决方案的市场趋势，以及由Arrow和Rohm推出的与SiC相关解决方案的功能特点。

用于储存和管理电能的住宅能源存储系统 (ESS) 应用

住宅储能系统 (Residential ESS) 是一种用于住宅环境的能源储存解决方案，其目的是存储和管理电能，提高能源效率、降低能源成本以及增强能源供应的稳定性。住宅储能系统的应用通常与太阳能发电系统（光伏系统）相结合，太阳能光伏板通常安装在屋顶或其他合适的位置，用于将阳光转换为直流电（DC）。   储能系统还需要充电控制器来监控太阳能发电系统的输出，并控制电能流入储能系统的过程。充电控制器确保太阳能产生的电能存储在电池中。电池是储能系统的核心组件，其作用是存储白天太阳能所产生的电能，以在夜间或阴雨天供电使用。常见的电池技术包括锂离子电池（Li-ion）和铅酸电池。   储能系统还需要逆变器来将存储在电池里的直流电（DC）转换为交流电（AC），为家用电器和照明设备供电。另外，还需要一个能源管理系统（EMS），可以监控家庭的能耗、天气预报、电价等信息。此系统能够优化能源的使用和储存，自动控制充电和放电过程，以确保能源效率最大化。   住宅储能系统也可以连接到电网，使得家庭在需要时购买电力，或在能源过剩时将多余的电能回卖给电网。这种双向能源流动被称为“双向计量”（bidirectional metering）。通过监控系统，家庭用户可以实时监测能源系统的运行状态，跟踪能量的生成与消费，并远程调整运行模式，包括改变储能系统的运行模式或设置充电与放电时间。   根据具体需求和技术的不同，住宅储能系统的架构可以进行调整，以确保最佳性能和效率。该系统有助于实现能源自给、节省能源以及减少排放。此外，在电网断电期间，它还可以提供备用电源。   住宅储能系统的应用需求与工业储能系统的需求不同，主要体现在住宅储能对功率需求较低，通常功率要求小于10千瓦 (kW)。系统必须支持双向功率转换，并且通常采用高效率的AC/DC拓扑结构，具有高电磁兼容性，以及高效率、高安全规格的DC/DC拓扑结构。住宅储能系统需要支持范围广泛的母线电压（360V - 550V），电池通常放置在直流侧。系统的效率通常要求超过90%，并需要可靠的系统稳定性。此外，还强调实现高功率密度以满足尺寸和重量减小的要求。同时，成本削减是关键考虑因素，高安全标准、电磁兼容性以及低噪音特性也有较高需求。

SiC 器件相比硅器件表现出更优异的性能

为了满足上述要求，通常在功率转换中使用碳化硅 (SiC)。这是因为SiC器件具有显著的优势，在高电流和高温条件下提高了系统效率。SiC材料的高击穿场强使得SiC器件能够在更高电压下运行，与硅器件相比具有更高的耐压性。这使得SiC器件在功率转换应用中尤为实用。   此外，SiC器件表现出更高的电子迁移率，使其在高频应用中具有优势。在诸如高频转换器和功率放大器等应用中，SiC器件表现出更优异的性能。SiC的热导率是硅器件的三倍，这使得设备尺寸和重量更小，进而提高了功率密度并优化系统成本。随着单位体积成本的降低，能量能够以更安全可靠的方式进行双向转换。这实现了体积减少50%和单位瓦特成本降低的目标，意味着在相同功率水平下，SiC器件体积更小、重量更轻。   SiC材料具有化学稳定性，对腐蚀性物质的耐受性极低。这一特性使SiC器件更适合极端环境的应用。SiC器件的高载流子迁移率带来了更快的开关速度。这对减少开关损耗、提高转换效率以及改善器件的动态性能均有益。   采用SiC能源存储解决方案可以减小产品尺寸与重量。它允许更高的开关频率，由于使用了更小的磁性元件，可以使用更小的变压器/电感器。这会导致更低的损耗和更好的散热能力。同等功率下，相较于硅IGBT，SiC器件可以应用在更小的封装中。与硅IGBT相比，SiC的功率密度提高了一倍（W/kg）, 实现了更高的功率密度。其可以使用简单的双向转换器拓扑结构，减少环路控制，从而提升效率。   SiC器件的单位体积导通电阻更低，从而减少了导通损耗。其在关断期间的导通损耗较低，并且没有电流拖尾现象，减少了开关损耗。SiC器件的体二极管恢复损耗非常小，并可减少材料清单（BOM）。系统坚固耐用，提供了更高的可靠性。   以总线电压为500V的DC-DC高端设计为例，高压侧可以采用1200V SiC和IGBT的组合。驱动电压为15V/-2.5V，开关频率为30kHz。在电路的另一侧，可以采用650V的SiC和IGBT，驱动电压为15V/-2.5V，开关频率为76kHz。在高压侧使用SiC器件时，效率更高。SiC功率器件工作在15V驱动下，并与IGBT功率器件解决方案兼容。

双向DC/DC电源转换器的设计挑战与解决方案

在设计用于储能系统（ESS）的双向DC/DC电源转换器时，需要解决许多挑战。例如，在放电模式下，解决稳态运行和低负载条件下低端MOS Vds的电压应力至关重要。一种解决方案是在变压器的初级侧将电感增加到200µH。这种方法可以将电压应力降低25%，并提高效率6%至7%。   此外，还需解决放电模式和启动时的Vds电压应力问题。解决方法是在输入端使用PWM+PFM混合控制。这可以将电压应力降低27%，在80V条件下，Vmax可达到124V。同时，在放电模式下，谐振电容可能存在过高温度的问题（96°C@2100W）。将电容型号更换为mkp21224/400VDC可以将谐振电容温度降低到65°C@3000W。

另一方面，在放电模式下，工作频率可能会突然改变至约180kHz，从而导致增益曲线的不稳定。为了解决这个问题，可以将SRMOS的固定导通时间频率点调整为低于180kHz，以确保增益曲线的稳定性。

SiC MOSFET 产品满足 DC-DC 设计的要求

由深圳维诚电子和艾睿电子支持的6600V 48V 双向高频隔离DC-DC参考设计提供了一个示例。在充电部分，它支持380-480 VDC的直流母线充电范围，充电电流≤16A，输出电压为40-60 VDC，输出电流≤140A，最大输出功率为6.6 kW。在420V时，充电效率可达95%，充电电流的纹波系数为1%。在放电部分，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，最大输出功率为6.6 kW，在54V时放电效率可达94%，母线电压纹波系数为1%。   在该参考设计中，不带Buck_Boost调节器时，低压侧的工作范围为43V-57V，全功率工作范围为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）。带有Buck_Boost调节器时，低压侧的工作范围为43V-57V，全功率工作范围为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）。此参考设计采用了8颗Rohm SCT3030AR TO-247封装的碳化硅(SiC) MOSFET，以及BM61S41RFV-C门极驱动器和RJ1P12BBDTLL功率MOSFET。   Rohm的SCT3030AR是一款650V N沟道4针封装的SiC MOSFET，非常适合要求高效率的应用，例如服务器、太阳能逆变器和电动汽车充电站。它采用了沟槽门极结构的SiC MOSFET，在4针封装中提供独立的功率源引脚和驱动源引脚，从而最大限度地实现高速开关性能，特别是显著改善导通损耗。与传统的3针封装(TO-247N)相比，总导通和开关损耗可降低约35%。   Rohm的SCT3030AR具有低导通电阻、快速开关速度、快速反向恢复、并联连接便利性和简易驱动特点。其引脚采用无铅电镀，符合RoHS标准，适用于包括太阳能逆变器、DC/DC转换器、开关电源、感应加热和电机驱动在内的广泛应用。   BM61S41RFV-C是一款隔离电压为3750Vrms的门极驱动器，最大门极驱动电压为24V，最大输入/输出延迟时间为65ns，最小输入脉冲宽度为60ns，并具有4A输出电流。它具有欠压锁定（UVLO）和主动Miller箝位功能，符合AEC-Q100标准，并采用SSOP-B10W封装。RJ1P12BBD是一款N沟道100V 120A的功率MOSFET，具有低导通电阻、高功率的小尺寸封装特点。它采用无铅电镀，符合RoHS标准、无卤素，并通过了UIS测试。

结论

随着绿色能源受到国际社会的日益关注，推动了住宅储能系统（ESS）应用的快速发展。这涉及大量的电子元件和解决方案，代表了巨大的市场机遇。Arrow可以协助客户开发适用于储能系统（ESS）应用的DC-DC解决方案。Rohm的SiC MOSFET及相关产品能够满足DC-DC的应用需求。有关更详细的信息，请直接联系Arrow。