電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/黃山明)IGBT是實(shí)現(xiàn)直流(DC)到交流(AC)轉(zhuǎn)換的核心器件,它結(jié)合了MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的輸入阻抗高和BJT(雙極型晶體管)的載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在便攜儲(chǔ)能中,IGBT不僅確保了電能的有效轉(zhuǎn)換,還有助于提高整體系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著新能源的發(fā)展,IGBT的需求也在不斷增長(zhǎng),顯示出其在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域的重要性。
IGBT的重要作用
所謂IGBT是一種大功率的電力電子器件,是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān),IGBT沒(méi)有放大電壓的功能,導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線(xiàn),斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。其最大的特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。
在便攜儲(chǔ)能中,IGBT扮演著重要角色,主要負(fù)責(zé)變壓、變頻和交流轉(zhuǎn)換等核心功能。比如IGBT能夠有效地進(jìn)行電壓和頻率的轉(zhuǎn)換,這對(duì)于便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,因?yàn)樗鼈冃枰獙㈦姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可以供各種設(shè)備使用的特定電壓和頻率的交流電。
便攜式儲(chǔ)能設(shè)備通常需要將電池的直流電高效地轉(zhuǎn)換為適用于各種負(fù)載的電壓和頻率,如交流電輸出。IGBT作為電力電子器件中的核心組件之一,能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高速度的直流-交流(DC-AC)逆變功能,使設(shè)備可以為交流電器供電。
同時(shí)IGBT適用于較低開(kāi)關(guān)頻率和大電流的應(yīng)用,其導(dǎo)通損耗比MOSFET更低,這使得IGBT在便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)中能夠提供更高的效率和更低的能量損耗,尤其是在大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。
在BMS中,IGBT也用于執(zhí)行快速且精準(zhǔn)的電池充放電控制,確保安全可靠的能源傳輸,同時(shí)通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)降低損耗,提高整體系統(tǒng)的能效比。IGBT具有開(kāi)關(guān)速度快、阻斷電壓高的特點(diǎn),因此常被用作電流限制或開(kāi)關(guān)控制元件,以防止電路過(guò)載、短路等故障情況發(fā)生,保障整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
在成本控制上,由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本主要由電池和儲(chǔ)能逆變器構(gòu)成,其中儲(chǔ)能逆變器占到了相當(dāng)一部分成本。IGBT作為儲(chǔ)能逆變器的關(guān)鍵原材料之一,對(duì)控制整體成本有重要影響。
具體來(lái)說(shuō),儲(chǔ)能系統(tǒng)成本主要由電池和儲(chǔ)能逆變器構(gòu)成,兩者合計(jì)構(gòu)成電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的80%,其中儲(chǔ)能逆變器占到20%。IGBT為儲(chǔ)能逆變器的上游原材料,IGBT的性能決定了儲(chǔ)能逆變器的性能,占逆變器價(jià)值量的20%-30%。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代IGBT模塊體積小、重量輕,適合于便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需求,能夠在有限的空間內(nèi)集成大功率轉(zhuǎn)換功能。而優(yōu)質(zhì)的IGBT具備良好的散熱性能和高溫穩(wěn)定性,這對(duì)于可能在戶(hù)外極端環(huán)境下使用的便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品至關(guān)重要,確保設(shè)備即使在高溫條件下也能保持正常工作。
IGBT在儲(chǔ)能中的應(yīng)用與發(fā)展
IGBT在儲(chǔ)能中的應(yīng)用非常廣泛,而且至關(guān)重要,特別是在逆變器領(lǐng)域。它能夠?qū)崿F(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換,使得電池等直流電源能夠?yàn)榧矣秒娖鞯冉涣髫?fù)載提供電力。
比如在光伏、風(fēng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)中,IGBT是構(gòu)成高壓大功率逆變器的核心器件。通過(guò)IGBT,可將電池或超級(jí)電容器儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,并接入電網(wǎng)或者供給負(fù)載使用。
而在儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程中,IGBT被用于精確控制電流和電壓,確保充電效率高、放電平穩(wěn),同時(shí)保護(hù)電池不受損害,延長(zhǎng)其使用壽命。
同時(shí)IGBT具有較高的開(kāi)關(guān)速度和較低的導(dǎo)通損耗,可以有效提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)從存儲(chǔ)到釋放能源過(guò)程中的轉(zhuǎn)換效率,降低整體運(yùn)營(yíng)成本。作為電力電子變換設(shè)備的一部分,IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ?,有助于提高并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
不過(guò)隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新能源的發(fā)展,儲(chǔ)能技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。例如,如何提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度和安全性、如何降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和提高其壽命等。
隨著SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研發(fā)和應(yīng)用,新一代的IGBT將結(jié)合這些新材料以進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通電阻,提高工作頻率和耐壓能力,從而實(shí)現(xiàn)更高性能的儲(chǔ)能逆變器。
將IGBT與其他元件如驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等進(jìn)行集成封裝,形成智能化、模塊化的解決方案,簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),降低成本并提高可靠性。還可以結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和AI算法,未來(lái)的IGBT將在儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)控制,以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境和負(fù)載需求。
針對(duì)戶(hù)外及特殊環(huán)境應(yīng)用,IGBT會(huì)不斷提升高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作以及低溫啟動(dòng)的能力,以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的苛刻要求。
總的來(lái)說(shuō),未來(lái)在儲(chǔ)能中,IGBT將朝著高頻化、集成化、智能化、定制化的方向發(fā)展。以高頻化為例,通過(guò)提高IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,可以減小儲(chǔ)能逆變器的體積和重量,提高其功率密度。
而在定制化上,針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和客戶(hù)需求,定制化的IGBT將成為未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。例如,針對(duì)新能源車(chē)輛的儲(chǔ)能逆變器需要高效率、高功率密度的IGBT,而針對(duì)家庭儲(chǔ)能的儲(chǔ)能逆變器則需要低成本、長(zhǎng)壽命的IGBT。
小結(jié)
IGBT在便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用不可或缺,它不僅確保了電能的有效轉(zhuǎn)換,還有助于提高整體系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著新能源的發(fā)展,IGBT的需求也在不斷增長(zhǎng),顯示出其在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域的重要性。
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