储能电源应用中的元器件替代与实战方案

发布时间：2024-11-22 阅读量：2022 来源: 我爱方案网作者: bebop

在储能电源系统中，光伏逆变器是“核心”，牵一发而动全身。逆变器对半导体功率器件性能指标和可靠性要求日益提高，更高的工作室电压、更大的工作电流、更高的功率密度以及更高的工作温度都将是未来的挑战。因此，碳化硅是其中的技术突破关键点，国内光伏逆变器市场的发展将带来碳化硅器件需求增长。

现阶段主要采用硅基IGBT + SiC SBD方案，随着碳化硅生产技术的成熟，导入碳化硅器件成本将进一步下降，采用碳化硅方案提升转换效率所创造的价值将抵消碳化硅器件成本，未来几年内有望在光伏领域渗透率加速提升。

我爱方案网提供高性能碳化硅产品及实战方案，涵盖高频单相/三相有源整流器及功率因数矫正电路(PFC)、数字有源滤波器(APF)及并网光伏、微型逆变器等高性能应用。

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碳化硅（SiC）器件在当前的趋势下能够提供更高的效率。与传统的硅基 MOSFET/IGBT 相比，碳化硅器件在高电压应用中更为适用。高电压器件可简化拓扑结构，无需使用多电平转换器。SiC 逆变器解决方案的损耗低于 IGBT 解决方案。 SiC MOSFET 的开关速度也更快，因此可以缩小无源器件（尤其是电感器）的尺寸。这两个因素提高了功率密度，使相同尺寸和重量的设备具有更高的功率。不过，需要在成本和性能之间进行权衡，了解实际要求以决定最合适的解决方案。

IGBT 与碳化硅二极管

SiC 二极管的替代正变得越来越普遍，尤其是在 DC-DC 阶段，因为其成本越来越低廉，无需对电路设计进行大的改动，最重要的是，系统性能得到了很好的改善。此外，提高频率还能减小无源器件的尺寸。

在大功率产品（> 200 kW）中， IGBT 是首选，因为 IGBT 在处理大电流时具有良好的性能。而且系统不需要很高的工作开关速率，这意味着较慢的 IGBT 关断速度不会带来太多问题。另一方面，完整的 SiC 系统需要全新的系统设计，成本很高。例如，基于 IGBT 的转换器的驱动电路与基于 SiC 的系统不兼容。还需要考虑新的保护方法，因为 SiC 元件的短路耐受时间（SCWT）比 IGBT 短。

碳化硅有效减少电路体积

碳化硅 (SiC) 在能源存储系统 (ESS) 中的价值，更小的体积和重量减轻，从而获得更大的功率密度，从而提高了系统效率。同时，由于在高电流和高温条件下能够提高系统效率，减少系统体积和重量，从而降低每瓦的成本。

下图对比一个使用SiC MOSFET电源模块与普通电源模块，大小尺寸差异：

	普通电源模块	SiC MOSFET电源模块

厂家	MEAN WELL	Infineon
型号	CSP-3000-400	基于Infineon SiC MOSFET IPW60R017C7与IPU95R3K7P7 的电源方案
参数	输入·：180 ~ 264 VAC 输出：400 VDC 功率：3000W	输入：176 VAC - 265 VAC 输出：400 VDC 功率：3300W （来源于Infineon方案）
尺寸	278.0mm x 177.8mm x 63.5mm 体积：3139 立方厘米	208mm x 89mm x40mm 体积：740立方厘米

我们可以看出使用SiC MOSFET技术后，体积缩小了很多。

上述方案采用的SiC MOSFET产品如下：

核心器件：

InfineonIPW60R017C7 CoolSiC™ N 通道 600 V 109A 446W

InfineonIPU95R3K7P7 N 通道 950 V 2A

其他逆变器方案：

基于STM32G474的400W微型逆变器方案

方案规格：

1. Vin（标准输入电压）：36V

2. Vin_max（最大输入电压）：55V

3. Vin_min（最小输入电压）：18V

4. MPPT范围：20V至40V

5. Iin（标称输入电流）：12A

6. Imax（最大输入电流）：18A

7. Vbus（DC-DC标称输出电压）：380V

8. Vbus_max（DC-DC最大输出电压）：400V

9. Vac（交流标称输出电压）：110VAC/60Hz、220VAC/50Hz

10. Iac（交流最大输出电流）：1.8A/220VAC、3.6A/110VAC

11. Pac（最大输出功率）：400W

方案优势：

1. 电源应用 : 400W Microinverter

2. 数位控制 (主控制芯片 : STM32G474 )

3. 使用单一 MCU做 MPPT 与 Inverter 控制功能

4. 使用 PLL 锁相环进行环路控制

5. 隔离型 MPPT 符合规范需求

6. 采用ST第三类 SiC半导体，高频操作缩小体积

7. 太阳能转换成交流电并回电网

方案二：基于HC32F334的500W光伏微型逆变器方案

方案规格：

• PV电压范围：25~60V

• 电网电压：200~240V @50Hz

• 最大输出功率：500W

• 开关频率：60kHz~200kHz

• 峰值效率：94.7%

• 入网电流THD：3.2% @Vpv=45V 500W

• PF：>0.99

方案优势：

• 基于自主知识产权的数字电源控制器方案

• 高性能主控芯片HC32F334

• 交错反激采用谷底开通断续模式，提高系统效率

• 交错反激输出馒头波，减小反激输出母线电容

• 全桥逆变采用工频开关，提高系统效率

• 经典扰动式MPPT环，快速准确找到MPPT点

• 保护功能齐全：输出过流，输入反激过流保护，反激输出电压过压保护等

• 效率高达94.7%

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