如何通過SiC增強電池儲能係統？

本文作者：Kane Jia，安森美應用營銷工程師

電池可以用來儲存太陽能和風能等可再生能源在高峰時段産生的能量，這樣當環境條件不太有利於發電時，就可以利用這些儲存的能量。本文回顧了住宅和商用電池儲能係統 (BESS) 的拓撲結構，然後介紹了安森美 (onsemi) 的EliteSiC方案，可作為矽MOSFET或IGBT開關的替代方案，改善BESS的性能。

圖1：BESS 實施概覽

BESS 的優勢

最常用的儲能方法有四種，分別是電化學儲能、化學儲能、熱儲能和機械儲能。鋰離子電池是家喻戶曉的電化學儲能係統，具有高功率密度、高效率、外形緊湊、模塊化等特點。此外，鋰離子電池技術成熟，因此非常可靠且成本較低。隨著鋰離子電池價格的持續下降，其在儲能係統中的使用不斷增加。使用帶有儲能電池的並網/離網太陽能逆變器係統，為住宅和商業用戶帶來諸多好處，包括：

價格：當公用事業提供商的電價較高時，儲存能量可以降低電費。

自給自足：儲存能量可以減少（或消除）對電網的依賴。

備用電源：儲存的電力可在主電源出現故障時用作替代電源。

BESS主要構建模塊

BESS通常包括四大構建模塊：

可充電電池模塊：其中包括機架式電池單元，其標稱電壓從50V到1000V以上不等。

電池管理係統 (BMS)：BMS用於‘保護和管理可充電電池，確保電池在安全工作參數範圍內運行。

變流器 (PCS)：PCS將電池組連接到電網和負載，是影響BESS成本、尺寸和整體性能的一個重要因素。

能源管理係統 (EMS)：EMS軟件用於監測、控製和優化發電或輸電係統。

住宅BESS

與BESS搭配使用的變流器可以按照耦合能量的方式（交流或直流）分類，也可以按照功率等級（住宅或商業）分類。直流耦合係統或混合逆變器僅需要一個電源轉換步驟。然而，對於現有太陽能或風力發電係統而言，雖然交流耦合儲能是一種簡單的升級方案，但它需要額外的電源轉換步驟來對電池充電和放電，因此可能會損失更多功率。例如，住宅變流器可以添加到現有太陽能逆變器係統中，以使用産生的能量為備用電池充電或為家用電器供電。

圖2：住宅交流耦合（左）和直流耦合（右）ESS

雙嚮DC-DC轉換器用於連接電池組和直流鏈路。單相係統的母線電壓通常小於600V，而充放電功率不會超過10kW。在這種情況下，降壓-升壓轉換器是最常見的雙嚮DC-DC拓撲，因為它需要的組件少且易於控製。在此類雙嚮係統中，兩個帶有並聯二極管的650V IGBT或MOSFET就足夠了。例如，安森美650V FS4 IGBT FGH4L75T65MQDC50集成了SiC二極管，可在這種應用中實現低導通和低開關損耗。

圖3：雙嚮DC-DC的降壓-升壓

隔離可以確保BESS用戶的安全，雙有源橋轉換器 (DAB) 或CLLC拓撲結構為BESS提供了隔離型雙嚮DC-DC轉換器方案。如果電池電壓發生顯著變化，級聯前端降壓-升壓電路可以提供更寬範圍的輸入和輸出電壓。這種方法還降低了無功功率，並增加了軟開關區的大小。NTP5D0N15MC 150 V N溝道屏蔽柵極PowerTrench MOSFET非常適合這些拓撲。

商業和企業場所及具有較大功率需求的家庭通常採用標準的三相電源。在三相應用中，電源開關必須能夠承受所需的工作電壓和電流，以提供高達15kW 的輸出功率，而且還要能夠承受高於住宅裝置所用的直流鏈路電壓（高達1000V）。為此，可以將之前考慮的650V開關替換為1200V器件，作為三電平對稱降壓-升壓拓撲的一部分。這樣，開關損耗會更低，因為隻有一半的輸出電壓出現在開關和二極管上。它的另一個優點是所需的電感更小，並且EMI性能得到改善。遺憾的是，這種方法需要更多組件，導緻設計複雜性、控製難度和係統成本增加。

商用BESS

商用儲能係統的輸入和輸出功率範圍通常在100kW至2MW之間。這些大型裝置可能由若幹個三相子係統組成，功率範圍從幾十仟瓦到超過100kW不等。在這類應用中，最大直流電壓是一項關鍵參數，它取決於現有太陽能係統的母線電壓或電池電壓。標準商用太陽能逆變器的直流母線電壓通常為1100V，但在公用事業規模係統中可能高達1500V。對於給定功率水平，提高直流母線電壓會降低電流，從而降低互連電纜的成本。

交流耦合係統更常用於商用BESS，因為它可以輕鬆添加到現有設計中。直流耦合係統對電氣改造的要求相對較高，尤其是商用場合，因為必須將其連接到直流母線，而直流母線通常位於原係統內部，具有高電壓和高電流。三電平I-NPC是大功率工業應用中常常與逆變器配合使用的拓撲結構。它有四個開關、四個反嚮二極管和兩個鉗位二極管，擊穿電壓低於實際直流鏈路電壓，這意味著650V開關在1100V係統中就足夠了。

圖4：三相I-NPC拓撲結構

使用三電平拓撲結構有幾個優點。首先，其開關損耗較低（與施加到開關和二極管的電壓的平方成正比）。其次，其電流紋波較低，並且峰峰值電壓為總輸出的一半，因而更容易利用較小、成本較低的電感進行濾波。最後，與電流紋波相關的傳導EMI更低，電磁輻射也更低。升級到A-NPC拓撲可提供更好的性能，因為它用兩個更低損耗的有源開關取代了兩個鉗位二極管。然而，對於這種架構，驅動器配對和延遲匹配至關重要，但這在某些應用中可能是一個不利因素。

SiC方案有助於改善BESS性能

SiC具有比矽更優越的性能特徵，例如：更寬的帶隙、更高的擊穿場強和更高的熱導率。這些特性使SiC器件能夠在更高的頻率下工作，而無需權衡輸出功率與電感尺寸。憑借SiC帶來的更高工作效率，在某些情況下，可使用自然散熱來代替強製風冷。安森美的650 V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC是取代儲能係統應用中矽基開關的理想選擇。同時，EliteSiC功率集成模塊採用1200V NXH40B120MNQ0雙升壓和NXH010P120MNF1 2件裝半橋，可以在公用事業規模係統中提供更高的功率密度。安森美還提供其他幾種組件，包括柵極驅動器、電流檢測放大器和MACPHY以太網控製器，都可用於BESS應用。