富昌电子SiC设计分享（六）：ESS 储能系统中SiC器件的应用

富昌电子（Future Electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，进而缩短产品的设计周期、加快行业发展的步伐。在第三代半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术、项目经验积累，着笔SiC相关设计的系列文章，希望能给到大家一定的参考，并期待与您进一步的交流。

本文作为系列文章的第六篇，将针对ESS 产品中SiC器件的应用做一些探讨。
 
根据国际能源署(IEA)2019年10月的燃料报告，到2024年，可再生能源发电量将增长50%。该报告预测，可再生能源发电量其中增长的60％将采用太阳能光伏(PV)设备的形式。

有效利用太阳能产生有用的电能，需要仔细优化采集、存储和最终转换为电能的每个阶段。提高能效的最大机会之一是逆变器的设计，它将太阳能电池阵列 (或其电池存储) 的直流输出转换为交流电流，以便直接使用或通过电网传输。

储能系统的灵活性为大规模发电和输电系统的高效和可靠运行提供了保障。储能系统提高了电网运行的效率，减少了在电网高峰时期的局部电量拥塞造成线路损耗。还可以减少为满足用电系统高峰需求而建造更多发电厂的需要。随着越来越多的太阳能发电的使用，能源存储与可再生能源的结合将有可能在未来十年改变我们生产、分配和使用能源的方式。这将推进太阳能光伏电站与储能系统(ESS)集成的需求和大规模发展。

近 10 多年来，以碳化硅(SiC) 为代表的宽禁带半导体器件，受到广泛关注。 SiC 材料具有 3 倍于硅材料的禁带宽度，10 倍于硅 材料的临界击穿电场强度，3 倍于硅材料的热导率， 因此 SiC 功率器件适合于高频、高压、高温等应用 场合，且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。

SiC功率器件更优于硅器件性能，包括它们能够高速切换高压和电流，损耗低，热性能好。尽管目前它们可能比等效硅产品更昂贵(如果可以使用硅替代产品)，但它们的系统级性能可以节省成本，使冷却的复杂性得以优化。有一个关于转换效率的预估：如果部署SiC可提高所有太阳能光伏系统的功率转换效率，IEA预计到2024年就算仅安装2%，也将多产生惊人的10GW发电量。

对于十kW到几十kW的ESS，为了减少铜损耗，母线电压通常设置在800V或更高；电压的选择是取决于系统的功率水平。SiC MOSFET具有优越的开关特性，目前在需要超过30kHz开关频率和800V运行电压的硬开关应用领域，还没有可以与之竞争的开关器件。因此光伏升压转换器广泛采用碳化硅二极管和MOSFET来提高功率转换效率和增加开关频率。由于SiC MOSFET导通电阻对温度的依赖性较低以及体二极管具有近零反向恢复的特性，使得SiC MOSFET是高效双向Buck-Boost转换器的理想开关，这为系统集成铺平道路。这种集成不仅消除了对每个系统进行定制的需要，而且还将拓展其在电网直联系统和离网系统或便携式设备的应用范围。    

下图是户用ESS的示意图（图一、二）:

图一 （Source：Infineon）    

图二 （Source：Infineon）

 
碳化硅器件在储能系统的成功应用，将会改变储能逆变器拓扑在市场中的格局， 并提升储能逆变器的拓扑优势。开关频率提高，减小了滤波器尺寸和输入侧直流母线的电容。甚至可以用小容值的薄膜电容取代大容值的电解电容，克服电解电容寿命短的问题。碳化硅器件 的低损耗和耐高温性能优势使得散热器的尺寸明显减小。碳化硅 MOSFET 可以提高工作频率、减小电流纹波、减小滤波器尺寸。

因此，新型碳化硅功率器件的优势给储能系统带来整机性能和成本上的优势，必将改变储能系统的现有格局。碳化硅器件在储能领域将得到更广泛的应用。

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