適用于集成存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車充電的光伏系統(tǒng)的 SiC MOSFET 模塊

因?yàn)槭褂没剂蠋淼膯栴}，世界正面臨各種氣候挑戰(zhàn)，所以很多能源部門正轉(zhuǎn)型以應(yīng)對(duì)，不僅電力生產(chǎn)轉(zhuǎn)向更多可再生能源，住宅部門也在改變用電方式，如電動(dòng)汽車的普及和熱泵取暖。

這些變化導(dǎo)致電力需求增加和住宅用電成本上升，進(jìn)而推動(dòng)了太陽能光伏、家庭電力存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車充電設(shè)備的普及。這篇文章將討論SiC MOSFET如何通過創(chuàng)新封裝技術(shù)，有效整合這些電力需求，推動(dòng)電力電子轉(zhuǎn)換器概念的實(shí)現(xiàn)。

01

如今，許多家庭已經(jīng)使用太陽能光伏 (PV) 系統(tǒng)。如果不需要立即為本地負(fù)載供電，則沒有本地儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)會(huì)將可用電力饋入電網(wǎng)。在大多數(shù)情況下，饋入電網(wǎng)的電力報(bào)酬遠(yuǎn)低于從電網(wǎng)購買電力的成本。因此，光伏系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商有興趣最大限度地利用從光伏獲得的電力，并盡量減少從電網(wǎng)購買能源。這可以通過本地儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS) 實(shí)現(xiàn)，原則上，可以采用兩種方法將 ESS 添加到光伏系統(tǒng)。

交流耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以添加到現(xiàn)有的光伏裝置中，這些裝置已經(jīng)配備了現(xiàn)有的光伏逆變器，但沒有集成儲(chǔ)能選項(xiàng)。在這里，儲(chǔ)存起來并在以后使用的能量經(jīng)過多個(gè)轉(zhuǎn)換階段，如圖 1a 所示。在這種系統(tǒng)中，儲(chǔ)存起來供以后使用的能量在儲(chǔ)存階段經(jīng)過四個(gè)轉(zhuǎn)換階段，在提供給本地負(fù)載時(shí)再次經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)換階段。即使假設(shè)每個(gè)階段的效率為 98%，總轉(zhuǎn)換路徑效率也達(dá)到 88.5%。

包含儲(chǔ)能選項(xiàng)的光伏系統(tǒng)新裝置最有可能使用具有集成功率級(jí)的光伏逆變器，將儲(chǔ)能耦合到直流總線。這種方法減少了發(fā)電、儲(chǔ)能和用水之間的功率轉(zhuǎn)換量，如圖 1b 所示。這里，在存儲(chǔ)階段僅經(jīng)過兩個(gè)階段，在電池存儲(chǔ)能量的利用階段又經(jīng)過兩個(gè)階段。轉(zhuǎn)換步驟的減少導(dǎo)致效率提高 92%，假設(shè)每個(gè)轉(zhuǎn)換階段的效率再次為 98%。

02

除了住宅光伏裝置中的儲(chǔ)能外，現(xiàn)在人們家中也安裝了越來越多的電動(dòng)汽車 (EV) 充電點(diǎn)。這種所謂的家庭充電可以通過兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)：交流充電或直流充電。目前最常見的方法是交流充電。在這里，交流壁掛箱為電動(dòng)汽車提供交流電，然后通過車載充電器 (OBC) 將其轉(zhuǎn)換為直流電并應(yīng)用于車輛電池。

另一種方法是安裝所謂的直流壁掛箱，負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后提供給車輛。兩種方法如圖 2 所示。從能量流的角度來看，無論是將光伏能源直接提供給車輛進(jìn)行充電的情況，還是將存儲(chǔ)的能源從 ESS 傳輸?shù)?EV 電池的情況，它們都非常相似。主要區(qū)別在于 EV 充電的電力轉(zhuǎn)換是在車輛內(nèi)部還是外部進(jìn)行。

作為集成和優(yōu)化的合理步驟，直流壁掛箱的功能可以集成到光伏逆變器中帶(或不帶)能量存儲(chǔ)選項(xiàng)。由此產(chǎn)生的集成轉(zhuǎn)換器概念如圖 3 所示。通過將 ESS 和 EV 充電與公共直流鏈路上的 PV 逆變器耦合，僅使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換階段就可以將能量從任何輸入端口轉(zhuǎn)移到任何輸出端口。轉(zhuǎn)換階段的減少導(dǎo)致每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的效率提高 96%，假設(shè)每個(gè)轉(zhuǎn)換階段的效率再次為 98%。

當(dāng)然，如果 PV 產(chǎn)生的能量首先存儲(chǔ)在 ESS 中，然后用于充電或本地負(fù)載，則預(yù)計(jì)效率為 92%。如果 EV 和隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器支持雙向操作，則 EV 電池甚至可以在車輛連接時(shí)用作額外的本地存儲(chǔ)。

03

除了能夠提高電力傳輸效率外，集成系統(tǒng)還提供了降低投資成本的可能性。這里討論的單個(gè)集成轉(zhuǎn)換器比帶有 ESS 和單獨(dú) DC 壁箱的 PV 逆變器解決方案少一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，并且只需要一個(gè)外殼。因此，可以預(yù)期這種轉(zhuǎn)換器的成本低于兩個(gè)獨(dú)立單元的成本。

為了實(shí)現(xiàn)這種集成轉(zhuǎn)換器，需要四個(gè)電源轉(zhuǎn)換級(jí)。下一節(jié)將討論一些拓?fù)溥x項(xiàng)，并提出如何使用包含最新一代 ROHM SiC MOSFET 的小型電力電子模塊來實(shí)現(xiàn)這些選項(xiàng)的建議。這里考慮的模塊取自即將推出的緊湊型傳遞模塑封裝系列，其中包含表 1 所示的 SiC Gen 4 SiC MOSFET。

我們假設(shè)標(biāo)稱功率在 11 kW 范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)這屬于大多數(shù)住宅光伏系統(tǒng)的功率范圍。由于此功率范圍的系統(tǒng)通過三相連接與電網(wǎng)連接，因此直流鏈路電壓約為 800V，因此必須使用 1200V 半導(dǎo)體。在此電壓范圍內(nèi)，SiC MOSFET 在性能方面比 Si IGBT 具有顯著優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于將光伏模塊連接到公共直流鏈路的 DC/DC 級(jí)，最簡(jiǎn)單的解決方案是標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器，如圖 4 所示。在此處考慮的典型功率范圍內(nèi)，通常使用多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的此類升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而為多個(gè)光伏串提供獨(dú)立的最大功率點(diǎn)跟蹤。高壓電池接口可以實(shí)現(xiàn)為雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如圖 5 所示。

需要使用雙向電路來實(shí)現(xiàn) DC/AC 級(jí)，以便在本地蓄電池電量耗盡且沒有光伏能源可用時(shí)，使電力流向電網(wǎng)/本地 AC 負(fù)載，以及從 AC 到 DC 的電力流，從而為電動(dòng)汽車充電。圖 4 所示的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以輕松滿足這些要求，并且使用 SiC MOSFET 具有很高的效率。

04

出于安全考慮，電動(dòng)汽車充電端口的 DC/DC 級(jí)通常采用隔離轉(zhuǎn)換器。集成電源轉(zhuǎn)換器中的公共 DC 鏈路固定在 800V 左右。DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出需要覆蓋寬電壓范圍，以支持電池電壓約為 400V 的電動(dòng)汽車以及電池電壓在 800V 范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車。

因此，不建議使用 OBC 中相當(dāng)常見的 CLLC 拓?fù)?，因?yàn)樵谳斎胼敵鰝鬏敱茸兓秶^大的情況下，它不是最佳選擇。相反，最好使用雙有源橋 (DAB)，如圖 7 所示。

此處所示的所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可使用分立封裝(例如 TO247-4L)中的 1200V SiC MOSFET(以及用于升壓級(jí)的 SBD)來實(shí)現(xiàn)。如表 2 所示，僅使用分立元件實(shí)現(xiàn)將需要總共 24 個(gè)功率半導(dǎo)體器件。對(duì)于分立解決方案，必須針對(duì)每個(gè)晶體管開關(guān)在封裝級(jí)別解決爬電距離要求。這會(huì)導(dǎo)致元件相當(dāng)大，即使封裝內(nèi)的 SiC 芯片很小。通過將多個(gè)芯片組合在單個(gè)傳遞模塑封裝內(nèi)，可以減少總體空間要求 - 部分原因是可以一次解決整個(gè)拓?fù)涞呐离娋嚯x問題。圖 8 顯示了六開關(guān)全橋模塊的情況。

在實(shí)現(xiàn)用于 OBC 應(yīng)用的 AC/DC 級(jí)的測(cè)試板中評(píng)估了 BST38T2P4K01-VW(36 mΩ，1200 V，6 合 1)的開關(guān)損耗性能 [1]。通過該模塊的雙脈沖測(cè)試對(duì)開關(guān)損耗進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果(如圖 9 a) 所示)同樣適用于此處考慮的雙向 DC/AC 級(jí)的情況?；谶@些數(shù)據(jù)，對(duì) 11 kW 系統(tǒng)的雙向 AC/DC 級(jí)進(jìn)行了模擬。圖 9 b) 所示的模擬結(jié)果預(yù)測(cè)，基于 BST38T2P4K01-VW 的 11 kW AC/DC 級(jí)的效率將達(dá)到 99% 左右(假設(shè)開關(guān)頻率為 48 kHz 并使用強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱器(僅考慮半導(dǎo)體損耗)。

如此小巧的傳遞模塑封裝不僅可以實(shí)現(xiàn)集成光伏逆變器的 DC/AC 級(jí)全橋，還可以實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車充電附加功能。此外，可以使用表 2 所示產(chǎn)品系列中的不同類型的模塊來解決各種 DC/DC 級(jí)問題。對(duì)于多 MPPT 升壓，可以使用 6 合 1 模塊的三個(gè)半橋，DAB 可以使用兩個(gè) 4 合 1 模塊構(gòu)建。非隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以采用多種方式設(shè)計(jì)，既可以使用基于 4 合 1 或 6 合 1 模塊的交錯(cuò)多相 DC/DC 方法，也可以使用半橋模塊。

表 2 中的兩種模塊類型均符合行業(yè)穩(wěn)健性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并且是專門為緊湊型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供最佳解決方案而開發(fā)的。這些模塊不僅針對(duì)此處討論的帶有存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車充電選項(xiàng)的集成光伏逆變器應(yīng)用，而且還可以作為其他工業(yè)或汽車應(yīng)用的寶貴構(gòu)建模塊。

此外，為了減少 BOM 尺寸，建議的模塊還減少了所需 PCB 和散熱器面積的尺寸。還提供 PLECS 的仿真模型和數(shù)據(jù)表。

本文介紹了 SiC MOSFET 模塊作為電力電子轉(zhuǎn)換器的高效構(gòu)建模塊，該模塊集成了光伏、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電的需求。文章討論了將儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電與光伏系統(tǒng)集成的好處，并比較了交流耦合和直流耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。

該集成系統(tǒng)不僅提高了電力傳輸效率，還提供了降低投資成本的可能性。總體而言，在這些創(chuàng)新封裝中使用 1200 V SiC MOSFET 有利于實(shí)現(xiàn)集成存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車充電的光伏系統(tǒng)的高效電力電子轉(zhuǎn)換器概念。