提升能源利用效率的住宅儲能解決方案

電池儲能（ESS）解決方案除了應用于工業、發電之外，在家庭住宅部分，也成為當前應用與市場發展的關鍵。住宅的ESS解決方案所需的功率較小，但對轉換效率與安全性的要求，仍與工業應用相同。本文將為您介紹住宅ESS解決方案的市場趨勢，以及艾睿電子與Rohm推出的SiC相關解決方案的功能特性。

可存儲和管理電能的住宅ESS應用

住宅ESS是一種在住宅中使用的能源存儲解決方案，旨在存儲和管理電能，以提高能源使用效率、降低能源成本和增加能源供應穩定性。住宅ESS應用通常包括太陽能發電系統（光伏系統），太陽能光伏板通常安裝在屋頂或其他適當的位置，將陽光轉換為直流電能。

ESS還需要有充電控制器來負責監測太陽能發電系統的輸出，并控制電能流向儲能系統，它可確保將太陽能產生的電能存儲到電池中。電池是ESS的核心元器件，用于存儲白天太陽能發電的電能，以在晚上或陰天供應能源。目前常見的電池技術包括鋰離子電池（Li-ion）和鉛酸電池。

ESS還需要逆變器來將存儲在電池中的直流電轉換為交流電，以供應家庭中的電器和照明設備使用，并利用能源管理系統（EMS）來監控家庭的能源使用情況、天氣預報和電價等信息，以優化能源的使用和存儲。它可以自動控制充電和放電過程，以確保最佳的能源效益。

住宅ESS還可連接到電網，使家庭能夠在需要時購買電能，或在能源充足時將多余的能量銷售給電網，這種雙向能量流的能力被稱為「雙向計量」。通過監控系統，家庭居民可以實時監控能源系統的運行狀態、能源產生和消耗情況，并通過遠程控制系統進行操作調整，例如改變儲能系統的工作模式或設定充放電時間。

住宅ESS的架構可以根據特定的需求和技術進行調整，以確保最佳的性能和效益。這種系統有助于實現能源的自給自足、節能減排，并在電網停電時提供備用電源。

住宅的ESS應用與工業應用在需求上有所不同，主要差別在于住宅ESS所需的功率較低，一般需求功率小于10kW，必須支持雙向功率轉換，大多采用高效率的高電磁兼容特性的AC/DC拓撲，以及高效率、高安全規格的DC/DC拓撲，必須支持360V - 550V的寬范圍母線電壓，其電池通常放置在直流側，要求系統效率超過90%，并需具備可靠的系統穩定性，追求高功率密度，達到小尺寸、重量輕的目標，并需求降低系統成本，并對安規、EMC、噪音等特性的要求較高。

SiC相較于硅器件擁有更優的性能表現

為了達到上述的要求，通常需要采用碳化硅（SiC）來進行功率的轉換，這是因為SiC器件具有一些顯著的優勢，在大電流和高溫條件下可提高系統效率，SiC材料的高電場韌性使得SiC器件能夠達到更高的電壓操作，相較于硅器件有更高的耐受電壓，這使得SiC器件在功率轉換應用中特別有用。

此外，SiC器件的電子遷移速度較大，這使其在高頻應用中表現優越。對于高頻變換器和功率放大器等應用，SiC器件提供了更好的性能。SiC的熱導率是硅器件的3倍，并可實現更小的尺寸和重量，以提高功率密度、優化系統成本，其單位體積成本下降，能量可進行雙向轉換，且安全又可靠，可達到減小50%體積和降低每瓦特單位成本的目標，這意味著相同功率水平下的器件體積更小，重量更輕。

SiC材料在化學性質上較為穩定，對于一些腐蝕性物質的侵蝕較小。這使得SiC器件在一些極端環境下的應用更加適用。SiC器件的載子移動速度高，使其具有更快的開關速度。這對于減小開關損耗、提高轉換效率，以及改善器件動態特性非常有益。

采用SiC儲能方案可擁有更小的產品尺寸和重量，可實現更高的開關頻率，并因采用更小的磁性器件，可使用更小的變壓器／電感器，其損耗更小、散熱效果更好，相同的功率可以安裝在更小的外殼中，與硅IGBT相比，SiC的功率密度（W/Kg）增加一倍，擁有高功率密度，并可使用簡單的雙向變換器拓撲，其環路控制更少，擁有更高的效率。

SiC器件具有單位體積導通電阻更低，導通損耗低，在關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，且體二極管的恢復損耗非常小，并可減少物料清單內容（BOM），系統堅固耐用，可靠性更高。

以DC-DC高壓側的設計為例，在母線電壓500V時可采用1200V SiC與IGBT，驅動電壓為15V/-2.5V，開關頻率為30kHz，電路另一邊可采用650V SiC與IGBT，驅動電壓15V/-2.5V，開關頻率76kHz。在高壓側電路采用SiC器件時的效率更高，SiC功率管采用15V驅動，并可兼容IGBT功率管方案。

雙向DC/DC電源轉換器的設計挑戰與解決方案

在設計用于ESS的雙向DC/DC電源轉換器時面對諸多挑戰，像是在放電模式下，需解決穩態工作和空載情況下的低側MOS Vds應力問題，解決方案是在變壓器初級將電感增加至200μH，如此一來電壓應力將可降低25%，效率提高6%~7%。

此外，需解決在放電模式、啟動時的Vds電壓應力問題，解決方案為在輸入端口采用PWM+PFM混合控制，其電壓應力將可降低27%，在80V時Vmax為124V。同樣地，在放電模式下，需面對諧振電容異常高溫（96℃@2100W），此時可將電容型號改為mkp21224/400VDC，便可將諧振電容溫度降至65℃@3000W。

另一方面，在放電模式下，工作頻率會突然變動到180kHz附近，增益曲線不平穩，此時可將SRMOS固定導通時間頻率點調諧至低于180 kHz，便可將增益曲線維持平穩。

SiC MOSFET產品滿足DC-DC設計需求

以深圳威勤電子與艾睿電子提供支持的6600V 48V雙向高頻隔離DC-DC參考設計為例，其在充電部分可支持380-480 VDC的直流母線充電范圍，直流母線充電電流≦16A，輸出電壓為40-60 VDC，輸出電流≦140A，輸出功率最大可達6.6 kW，充電效率在420V時可達95%，充電電流紋波系數為1%。在放電部分的電池側電壓范圍為40-60 VDC，電池側電流≦140A，直流母線電壓范圍為380-480 VDC，輸出功率最大可達6.6 kW，放電效率在54V時可達94%，母線電壓紋波系數為1%。

這個參考設計在沒有Buck_Boost調節器的情況下，低壓側工作的范圍是43V-57V，滿功率的工作范圍是49V-57V，最大穩定輸出電流為142A，最大短時輸出電流為150A（Vin = 420V，電阻負載）。在有Buck_Boost調節器的情況下，低壓側工作的范圍是43V-57V，滿功率的工作范圍是49V-60V，最大穩定輸出電流為145A，最大短時輸出電流為150A（Vin = 420V，電阻負載）。這個參考設計采用了8片Rohm的SCT3030AR TO-247封裝SiC MOSFET，以及BM61S41RFV-C柵極驅動器與RJ1P12BBDTLL功率MOSFET。

Rohm的SCT3030AR是支持650V Nch 4引腳封裝的SiC MOSFET，是非常適用于要求高效率的服務器用電源、太陽能逆變器及電動汽車充電站等的溝槽柵結構SiC MOSFET。其采用電源源極引腳和驅動器源極引腳分離的4引腳封裝，能夠最大限度地發揮出高速開關性能，尤其是可以顯著改善導通損耗，與以往的3引腳封裝（TO-247N）相比，導通損耗和關斷損耗合計可降低約35%。

Rohm的SCT3030AR具有低導通電阻、開關速度快、快速反向恢復、易于并聯、驅動簡單等特性，采用無鉛電鍍封裝，符合RoHS標準，可廣泛應用于太陽能逆變器、DC/DC轉換器、開關電源、感應加熱與電機驅動等領域。

BM61S41RFV-C則是一款柵極驅動器，隔離電壓為3750 Vrms，最大柵極驅動電壓為24V，I/O延遲時間最大為65 ns，最小輸入脈沖寬度為60 ns，輸出電流為4A，具有欠壓鎖定（UVLO）功能和主動米勒鉗位功能，符合AEC-Q100標準，采用SSOP-B10W封裝。RJ1P12BBD則為Nch 100V 120A的功率MOSFET，具有低導通電阻、高功率小模封裝，采用無鉛電鍍封裝，符合RoHS標準，無鹵素并通過UIS測試。

結語

隨著綠色能源越來越受到國際社會重視，也推動著住宅ESS應用的快速發展，其中牽涉到相當多的電子元器件與解決方案，代表著龐大的市場商機。艾睿電子能夠協助客戶開發ESS應用的DC-DC解決方案，Rohm的SiC MOSFET與相關產品則可滿足DC-DC的應用需求。

審核編輯：劉清