贸泽电子技术创新周｜智慧能源篇复习第二弹！

太阳能光伏系统、储能技术和第三代半导体 助力能源转型

太阳能产业作为新能源产业中发展较为成熟的产业，正在为“双碳”目标实现的不断提供助力。太阳能光伏系统是将太阳能转化为电能的一种技术，通过安装在屋顶或地面上的太阳能电池板，将太阳光转化为直流电，并通过逆变器将其转化为交流电，供应给家庭、企业或公共设施使用。

然而，太阳能光伏系统的一个主要问题是其依赖于自然光照的变化。在太阳光不足的情况下，光伏系统的发电效率会大幅下降。这就需要储能系统的支持——将多余的电力储存起来，在需要的时候释放出来，以平衡能源供应和需求之间的差距。这样，即使在夜间或阴天，也能维持电力供应的稳定性。

随着可再生能源的快速增长和电动化趋势的加速推动，储能技术成为能源转型的关键。第三代半导体碳化硅（SiC）器件，凭借自身优异的材料特性和技术更新，为储能应用带来前沿解决方案，有利于实现能源的高效利用，为推动碳中和方面发挥显著优势。

这是是2023年贸泽电子技术创新周的智慧能源主题4天直播的第二篇技术干货笔记。我们为你重点梳理了关于太阳能光伏系统、储能技术和第三代半导体在整个智慧能源转型进程中发挥的重要作用，分别有来自ADI、Wolfspeed、Littelfuse、OMRON等厂商的精彩分享。

01

ADI

高性能电池管理方案

为可充电设备发展提速

电池广泛地应用于各种领域的电子产品中，消费电子类、便携式医疗电子设备、工业级和物联网设备等都离不开电池应用。这也意味着“电池焦虑“的普遍存在。如何通过高性能的电池管理方案为充电设备发展提速，是广大工程师特别关注的问题。

ADI在直播中重点分享了高性能电池管理方案如何助力可充电设备发展。其电源解决方案支持安全、可靠的快速充电和安全、高效的电池管理，从而大限度地延长电池的寿命。提供的电池电量计、锂离子保护技术以及开关电容器转换器，利用超低静态电流延长了运行时间、待机时间、保质期和整体电池寿命，这对于使用小型电池的空间受限型应用来说非常重要。

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随着电子设备使用的增加，可充电电池技术的优缺点暴露出来。安全至关重要，锂离子电池需要安全充电器、全面的保护器和精确的电量计。电量计精度差可能导致系统过早或突然关闭。因此，必须使用高精度的电量计来指示电池状态以及可用的运行时间。新电池管理方案通过使用AccuCharge解决了这些挑战。利用电量计控制集成充电器，将电量计集成到充电器中，提高充电精度，简化充电管理

Fuel Gauge可测量手持应用中的电池容量，采用无缝的检测技术，具有出色的充电精度。高端电流检测支持下游故障检测并避免接地干扰。模拟积分器对电荷直接进行数字化，从而消除放大器偏移，使增益误差非常小，总电荷精度更高。某些型号还提供电池电压和温度或集成检测电阻并进一步提高精度。

电池供电设备可通过USB Type-C连接器提供高达240W的功率，为电子产品提供了巨大优势。USB PD带来了新的电源要求挑战，因为USB PD标准中提供了宽泛的电压和电流组合，以便提供更大电源选择范围。在通过USB电缆供电之前，电源和电子装置分别以适当的电压和电流水平传输其功率容量和功率要求。有些解决方案需要多个IC，包括端口检测器、微控制器和充电器，以实现电力传输，但它们占用电路板空间，增加了方案的成本，而且需要定制固件，制作起来比较耗时。独立的PD 控制器可以解决这些难题，可以管理电源问题，而无需开发固件。

电池电压随温度和负载发生变化，电量计量会非常困难；而库伦计数方法要求复杂的补偿，以消除累计失调误差。ModelGauge m5电量计包括成熟的算法，将电池电压、电流及温度等原始测量数据转换为SOC%、mAhr、剩余工作时间，所有这些不仅改善设备的用户体验，而且极大程度提高电池工作时间。

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02

Littelfuse

功率半导体和电路保护方案

在太阳能及电池储能应用

Littelfuse带来了关于功率半导体和电路保护方案在太阳能及电池储能中的应用的深入分享。

随着全球“双碳”进程的深入，太阳能作为相对比较成熟的绿色能源，其发展也进一步提速，带动了相关的太阳能逆变器以及电池能量存储市场的加速发展。市场研究机构MarketsandMarkets的相关预测数据显示，太阳能逆变器和电池能量存储市场将分别以15.6%和33.9%的年复合增长率成长。

来源：MarketsandMarkets，Solar inverter, Energy storage systems

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Littelfuse用于太阳能逆变器和电池储能系统（BESS）的两种解决方案：

1.交流耦合太阳能系统（AC）

• 拥有两个逆变器：带蓄电池的双向逆变器和一个太阳能逆变器，由于多个中压变压器、逆变器等，电池使用的能量被多次倒置，导致效率较低。

• 保留了系统中的并网逆变器，改造的灵活性更高，安装简单。

• 如果存在现有的光伏系统，则成本效益较高。

2.直流耦合太阳能系统（DC）

• 单台逆变器为负载供电，效率更高，因为电源无需多次逆变。组件更少。BESS和PV之间的电缆短，减少了损耗。

• 不适合改造。需要更换现有的逆变器，在许多情况下还需要重新配置光伏阵列线路。

• 对于现有的光伏系统，安装成本高且复杂。

太阳能逆变器拓扑结构和应用类型

1.微型逆变器

• 额定功率范围高达300W，输出电压为230V的交流电压，单相电，主要用于个人住宅。

2.组串逆变器

• 额定功率范围1kW~10kW，输出电压为230V的交流电压，单相电，主要用于住宅小区。

3.多组串逆变器

• 额定功率范围30kW~200kW，输出电压为400V的交流电压，三相电，主要用于商业、工业和公共设施。

4.中央逆变器

• 额定功率高达几兆瓦，输出电压为400V~690V的交流电压，三相电，主要用于中压公用电网、光伏发电场。

Littelfuse的太阳能逆变器和电池储能系统（BESS）在安全性方面的出色表现

• 通过了北美地区用于分布式能源的逆变器、转换器、控制器和互连系统设备的安全标准（UL 1741）和评估发生热失控的电池储能系统的火灾特性的方法标准（UL 9540A）的标准认证。

• 符合欧盟关于光伏逆变器的整体效率（EN 50530）和光伏逆变器的数据表（EN 50524）的标准。

• 符合IEC 61683（本标准规定了测量独立式和公用事业互动式光伏系统所用功率调节器效率的准则）、IEC 62109-1和IEC 62109-2（光伏发电系统中使用的电源转换器的安全性）的安全性认证。

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03

Wolfspeed

从硅器件到碳化硅器件

先进技术赋能储能应用

在硅材料的发展已经接近其技术上限的当下，以SiC、GaN（氮化镓）为代表的第三代半导体器件有哪些优异的材料特性和技术更新？可以为储能应用带来怎样的前沿解决方案以实现能源的高效利用？全球采用碳化硅和氮化镓技术供应商Wolfspeed深入分享了SiC助力储能系统的应用与解决方案。

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Sic MOSFET与HV Si MOSFET（高压分立硅MOSFET）相比，在功率半导体材料参数方面有哪些优势？

• 在禁带宽度（Band Gap 单位是电子伏特eV）方面，决定了半导体器件的耐压和工作温度上限。Sic MOSFET是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有着更高的工作温度与极低的漏电流。

• Sic MOSFET的临界击穿场强（Critical breakdown field单位是MV/cm）是HV Si MOSFET的10倍，通常与禁带宽度的平方成正比。Sic器件可实现更高的开关频率，相同性能下Sic器件的体积更小。

• Sic MOSFT的导热性（Thermal Conductivity单位是W/cm. K）是是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有着更好的大电流负载能力。

Sic、Si、GaN在物理特性上有哪些差异？

• Sic和Si MOSFET的结构是一样的，电流从Drain极到Source极，都是垂直型的导电沟道，而GaN的导电沟道是平面型的。相同耐压的管子，GaN这种横向结构需要在平面上去保证漏极和栅极的绝缘距离，所以GaN的器件面积一般比较大，主流的应用场景都是在千伏以下。

• GaN器件内部没有PN结的存在，也没有抗雪崩的能力。

• GaN的散热能力会因为Si材料作为衬底而受到一定限制。

Sic MOSFET与Si IGBT相比有哪些优势？

• 在较低负载条件下，Sic MOSFET的传导损耗（Conduction Loss）仅为 IGBT 的 1/2。

• 相同条件下，Sic MOSFET的开关损耗仅为Si IGBT的1/10。

# 小结

在环境、负载以及相同的成本下，Sic MOSFET具有更高的能效，可以支持更高的开关频率的优势。

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04

OMRON

欧姆龙产品在光伏储能系统中的应用介绍

欧姆龙公司在本次直播专题中深入介绍了其光伏逆变器、储能方案等如何助力逆变器/储能系统的小型化，推动可再生能源的普及。高可靠的功率继电器提供可靠且高质量的部件解决方案将有助于提高设备的性能、可靠性和安全性。

在欧姆龙构想的2030年的社会图景中——导入了低环境负荷的新能源，所有产品和基础设施直流化。通信高速大容量化，通过社会和家庭的IoT进展，所有产品互相连接并持续稳定运转，由此带来更加便捷舒适的生活。此外，这类产品全都环境友好已变得理所当然。

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• G9KA专为商业PV逆变器市场中的高电压/电流应用开发的。与传统的印刷基板继电器相比，降低了散热器、风扇等散热措施产生的设计成本，并且通过简单的散热器设计使产品小型化，有助于设计出小巧、轻便的终端产品。支持800VAC / 200A的负载切换，同时具有低接触电阻（<0.2mΩ）特性，可以抑制热量产生和散热问题。

• G7EB-E 120A Carry PCB功率继电器支持大电流应用，具有高容量负载额定值，与标准100A额定值相比，可支持120A载流。这种大容量特性使该系列适合用于电动汽车充电站、功率调节器逆变器、工业逆变器和不间断电源。与同类产品相比，该大容量模块的接触电阻较低，从而减少了对复杂温度设计和热传导器件的需求。G7EB-E 120A Carry PCB继电器具有SPST-NO（1a）触点形式、10kV高脉冲耐受电压和-40°C至+85°C环境温度范围。适合于功率调节器以及逆变器等应用环境。

• G9KB高压开关继电器是大功率直流PCB继电器，具有双向600V_DC容量和50A切换能力，低接触电阻和低线圈功耗的特点。接点间距3.6mm以上，具有85°C环境温度和12V_DC或24V_DC额定线圈电压。应用包括直流家用和商用电器、储能系统和能源行业。

• G7L-X PCB功率继电器提供1000V_DC的负载开关，满足太阳能逆变器安全标准，低接触电阻特性可以实现低温。提供12或24V_DC线圈额定电压，继电器有两个串联接线的接线柱，可断开或开关 600-1000V_DC。接线柱触点可提供20A或25A开关电流。

• G2RG-X具有两极触点结构，采用两极串联接线，额定值为直流500V 10A 的 PCB 继电器。适用于使用了DC300-400V的AC200V整流电路、直流供电、家用蓄电池等的冲击电流防止电路的开闭，有助于设备的小型化。G2RG-X还可用于限制设备启动时充电电流过度流向内部电容器的冲击电流防止电路、以及设备停运时对内部电容器进行放电并降至安全电压的放电电路。G2RG-X通过小型机身和较小的设置面积，有助于印刷电路板的小型化。贴装底面积与G2R几乎相同，实现DC500V 10A的高压开闭。

贸博士点评

智慧能源可以做到什么程度？

能源数字化转型大势所趋，智慧化是综合能源系统的技术支撑已经成为业内共识。

智慧能源生态要求在能源生产、能源储运、能源管理与能源消费环节中更加“聪明”地管理与使用能源。这其中，云计算、移动互联网、大数据、区块链、5G技术的融合发展，正改变能源的生产、运行、传输模式，智慧能源系统应运而生——以电力系统为核心纽带，构建多类型能源互联网络，从而实现整个能源系统的清洁低碳与安全高效，推动整个能源产业的升级革命。随着“双碳”时间表的推进，围绕低碳、经济、安全的新型电力系统的构建，高效率太阳能光伏电池、储能技术、智能电网等技术的创新加速。同时，能源技术与数字技术的深度融合，不断衍生新的业务模式和商业机会，展现更广阔的市场空间。

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