太陽能光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能技術(shù)和第三代半導(dǎo)體 助力能源轉(zhuǎn)型

太陽能產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展較為成熟的產(chǎn)業(yè)，正在為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的不斷提供助力。太陽能光伏系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，通過安裝在屋頂或地面上的太陽能電池板，將太陽光轉(zhuǎn)化為直流電，并通過逆變器將其轉(zhuǎn)化為交流電，供應(yīng)給家庭、企業(yè)或公共設(shè)施使用。

然而，太陽能光伏系統(tǒng)的一個(gè)主要問題是其依賴于自然光照的變化。在太陽光不足的情況下，光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率會(huì)大幅下降。這就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)的支持——將多余的電力儲(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候釋放出來，以平衡能源供應(yīng)和需求之間的差距。這樣，即使在夜間或陰天，也能維持電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。

隨著可再生能源的快速增長(zhǎng)和電動(dòng)化趨勢(shì)的加速推動(dòng)，儲(chǔ)能技術(shù)成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）器件，憑借自身優(yōu)異的材料特性和技術(shù)更新，為儲(chǔ)能應(yīng)用帶來前沿解決方案，有利于實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，為推動(dòng)碳中和方面發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)。

這是是2023年貿(mào)澤電子技術(shù)創(chuàng)新周的智慧能源主題4天直播的第二篇技術(shù)干貨筆記。我們?yōu)槟阒攸c(diǎn)梳理了關(guān)于太陽能光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能技術(shù)和第三代半導(dǎo)體在整個(gè)智慧能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中發(fā)揮的重要作用，分別有來自ADI、Wolfspeed、Littelfuse、OMRON等廠商的精彩分享。

01

ADI

高性能電池管理方案

為可充電設(shè)備發(fā)展提速

電池廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中，消費(fèi)電子類、便攜式醫(yī)療電子設(shè)備、工業(yè)級(jí)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等都離不開電池應(yīng)用。這也意味著“電池焦慮“的普遍存在。如何通過高性能的電池管理方案為充電設(shè)備發(fā)展提速，是廣大工程師特別關(guān)注的問題。

ADI在直播中重點(diǎn)分享了高性能電池管理方案如何助力可充電設(shè)備發(fā)展。其電源解決方案支持安全、可靠的快速充電和安全、高效的電池管理，從而大限度地延長(zhǎng)電池的壽命。提供的電池電量計(jì)、鋰離子保護(hù)技術(shù)以及開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，利用超低靜態(tài)電流延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)時(shí)間、保質(zhì)期和整體電池壽命，這對(duì)于使用小型電池的空間受限型應(yīng)用來說非常重要。

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隨著電子設(shè)備使用的增加，可充電電池技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)暴露出來。安全至關(guān)重要，鋰離子電池需要安全充電器、全面的保護(hù)器和精確的電量計(jì)。電量計(jì)精度差可能導(dǎo)致系統(tǒng)過早或突然關(guān)閉。因此，必須使用高精度的電量計(jì)來指示電池狀態(tài)以及可用的運(yùn)行時(shí)間。新電池管理方案通過使用AccuCharge解決了這些挑戰(zhàn)。利用電量計(jì)控制集成充電器，將電量計(jì)集成到充電器中，提高充電精度，簡(jiǎn)化充電管理

Fuel Gauge可測(cè)量手持應(yīng)用中的電池容量，采用無縫的檢測(cè)技術(shù)，具有出色的充電精度。高端電流檢測(cè)支持下游故障檢測(cè)并避免接地干擾。模擬積分器對(duì)電荷直接進(jìn)行數(shù)字化，從而消除放大器偏移，使增益誤差非常小，總電荷精度更高。某些型號(hào)還提供電池電壓和溫度或集成檢測(cè)電阻并進(jìn)一步提高精度。

電池供電設(shè)備可通過USB Type-C連接器提供高達(dá)240W的功率，為電子產(chǎn)品提供了巨大優(yōu)勢(shì)。USB PD帶來了新的電源要求挑戰(zhàn)，因?yàn)閁SB PD標(biāo)準(zhǔn)中提供了寬泛的電壓和電流組合，以便提供更大電源選擇范圍。在通過USB電纜供電之前，電源和電子裝置分別以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魉絺鬏斊涔β嗜萘亢凸β室?。有些解決方案需要多個(gè)IC，包括端口檢測(cè)器、微控制器和充電器，以實(shí)現(xiàn)電力傳輸，但它們占用電路板空間，增加了方案的成本，而且需要定制固件，制作起來比較耗時(shí)。獨(dú)立的PD 控制器可以解決這些難題，可以管理電源問題，而無需開發(fā)固件。

電池電壓隨溫度和負(fù)載發(fā)生變化，電量計(jì)量會(huì)非常困難；而庫倫計(jì)數(shù)方法要求復(fù)雜的補(bǔ)償，以消除累計(jì)失調(diào)誤差。ModelGauge m5電量計(jì)包括成熟的算法，將電池電壓、電流及溫度等原始測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SOC%、mAhr、剩余工作時(shí)間，所有這些不僅改善設(shè)備的用戶體驗(yàn)，而且極大程度提高電池工作時(shí)間。

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02

Littelfuse

功率半導(dǎo)體和電路保護(hù)方案

在太陽能及電池儲(chǔ)能應(yīng)用

Littelfuse帶來了關(guān)于功率半導(dǎo)體和電路保護(hù)方案在太陽能及電池儲(chǔ)能中的應(yīng)用的深入分享。

隨著全球“雙碳”進(jìn)程的深入，太陽能作為相對(duì)比較成熟的綠色能源，其發(fā)展也進(jìn)一步提速，帶動(dòng)了相關(guān)的太陽能逆變器以及電池能量存儲(chǔ)市場(chǎng)的加速發(fā)展。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的相關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，太陽能逆變器和電池能量存儲(chǔ)市場(chǎng)將分別以15.6%和33.9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率成長(zhǎng)。

來源：MarketsandMarkets，Solar inverter, Energy storage systems

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Littelfuse用于太陽能逆變器和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的兩種解決方案：

1.交流耦合太陽能系統(tǒng)（AC）

• 擁有兩個(gè)逆變器：帶蓄電池的雙向逆變器和一個(gè)太陽能逆變器，由于多個(gè)中壓變壓器、逆變器等，電池使用的能量被多次倒置，導(dǎo)致效率較低。

• 保留了系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器，改造的靈活性更高，安裝簡(jiǎn)單。

• 如果存在現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)，則成本效益較高。

2.直流耦合太陽能系統(tǒng)（DC）

• 單臺(tái)逆變器為負(fù)載供電，效率更高，因?yàn)殡娫礋o需多次逆變。組件更少。BESS和PV之間的電纜短，減少了損耗。

• 不適合改造。需要更換現(xiàn)有的逆變器，在許多情況下還需要重新配置光伏陣列線路。

• 對(duì)于現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)，安裝成本高且復(fù)雜。

太陽能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用類型

1.微型逆變器

• 額定功率范圍高達(dá)300W，輸出電壓為230V的交流電壓，單相電，主要用于個(gè)人住宅。

2.組串逆變器

• 額定功率范圍1kW~10kW，輸出電壓為230V的交流電壓，單相電，主要用于住宅小區(qū)。

3.多組串逆變器

• 額定功率范圍30kW~200kW，輸出電壓為400V的交流電壓，三相電，主要用于商業(yè)、工業(yè)和公共設(shè)施。

4.中央逆變器

• 額定功率高達(dá)幾兆瓦，輸出電壓為400V~690V的交流電壓，三相電，主要用于中壓公用電網(wǎng)、光伏發(fā)電場(chǎng)。

Littelfuse的太陽能逆變器和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）在安全性方面的出色表現(xiàn)

• 通過了北美地區(qū)用于分布式能源的逆變器、轉(zhuǎn)換器、控制器和互連系統(tǒng)設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)（UL 1741）和評(píng)估發(fā)生熱失控的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)特性的方法標(biāo)準(zhǔn)（UL 9540A）的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

• 符合歐盟關(guān)于光伏逆變器的整體效率（EN 50530）和光伏逆變器的數(shù)據(jù)表（EN 50524）的標(biāo)準(zhǔn)。

• 符合IEC 61683（本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測(cè)量獨(dú)立式和公用事業(yè)互動(dòng)式光伏系統(tǒng)所用功率調(diào)節(jié)器效率的準(zhǔn)則）、IEC 62109-1和IEC 62109-2（光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的電源轉(zhuǎn)換器的安全性）的安全性認(rèn)證。

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03

Wolfspeed

從硅器件到碳化硅器件

先進(jìn)技術(shù)賦能儲(chǔ)能應(yīng)用

在硅材料的發(fā)展已經(jīng)接近其技術(shù)上限的當(dāng)下，以SiC、GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導(dǎo)體器件有哪些優(yōu)異的材料特性和技術(shù)更新？可以為儲(chǔ)能應(yīng)用帶來怎樣的前沿解決方案以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用？全球采用碳化硅和氮化鎵技術(shù)供應(yīng)商Wolfspeed深入分享了SiC助力儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用與解決方案。

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Sic MOSFET與HV Si MOSFET（高壓分立硅MOSFET）相比，在功率半導(dǎo)體材料參數(shù)方面有哪些優(yōu)勢(shì)？

• 在禁帶寬度（Band Gap 單位是電子伏特eV）方面，決定了半導(dǎo)體器件的耐壓和工作溫度上限。Sic MOSFET是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有著更高的工作溫度與極低的漏電流。

• Sic MOSFET的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（Critical breakdown field單位是MV/cm）是HV Si MOSFET的10倍，通常與禁帶寬度的平方成正比。Sic器件可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，相同性能下Sic器件的體積更小。

• Sic MOSFT的導(dǎo)熱性（Thermal Conductivity單位是W/cm. K）是是HV Si MOSFET的3倍，Sic器件有著更好的大電流負(fù)載能力。

Sic、Si、GaN在物理特性上有哪些差異？

• Sic和Si MOSFET的結(jié)構(gòu)是一樣的，電流從Drain極到Source極，都是垂直型的導(dǎo)電溝道，而GaN的導(dǎo)電溝道是平面型的。相同耐壓的管子，GaN這種橫向結(jié)構(gòu)需要在平面上去保證漏極和柵極的絕緣距離，所以GaN的器件面積一般比較大，主流的應(yīng)用場(chǎng)景都是在千伏以下。

• GaN器件內(nèi)部沒有PN結(jié)的存在，也沒有抗雪崩的能力。

• GaN的散熱能力會(huì)因?yàn)镾i材料作為襯底而受到一定限制。

Sic MOSFET與Si IGBT相比有哪些優(yōu)勢(shì)？

• 在較低負(fù)載條件下，Sic MOSFET的傳導(dǎo)損耗（Conduction Loss）僅為 IGBT 的 1/2。

• 相同條件下，Sic MOSFET的開關(guān)損耗僅為Si IGBT的1/10。

# 小結(jié)

在環(huán)境、負(fù)載以及相同的成本下，Sic MOSFET具有更高的能效，可以支持更高的開關(guān)頻率的優(yōu)勢(shì)。

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04

OMRON

歐姆龍產(chǎn)品在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹

歐姆龍公司在本次直播專題中深入介紹了其光伏逆變器、儲(chǔ)能方案等如何助力逆變器/儲(chǔ)能系統(tǒng)的小型化，推動(dòng)可再生能源的普及。高可靠的功率繼電器提供可靠且高質(zhì)量的部件解決方案將有助于提高設(shè)備的性能、可靠性和安全性。

在歐姆龍構(gòu)想的2030年的社會(huì)圖景中——導(dǎo)入了低環(huán)境負(fù)荷的新能源，所有產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施直流化。通信高速大容量化，通過社會(huì)和家庭的IoT進(jìn)展，所有產(chǎn)品互相連接并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，由此帶來更加便捷舒適的生活。此外，這類產(chǎn)品全都環(huán)境友好已變得理所當(dāng)然。

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• G9KA專為商業(yè)PV逆變器市場(chǎng)中的高電壓/電流應(yīng)用開發(fā)的。與傳統(tǒng)的印刷基板繼電器相比，降低了散熱器、風(fēng)扇等散熱措施產(chǎn)生的設(shè)計(jì)成本，并且通過簡(jiǎn)單的散熱器設(shè)計(jì)使產(chǎn)品小型化，有助于設(shè)計(jì)出小巧、輕便的終端產(chǎn)品。支持800VAC / 200A的負(fù)載切換，同時(shí)具有低接觸電阻（<0.2mΩ）特性，可以抑制熱量產(chǎn)生和散熱問題。

• G7EB-E 120A Carry PCB功率繼電器支持大電流應(yīng)用，具有高容量負(fù)載額定值，與標(biāo)準(zhǔn)100A額定值相比，可支持120A載流。這種大容量特性使該系列適合用于電動(dòng)汽車充電站、功率調(diào)節(jié)器逆變器、工業(yè)逆變器和不間斷電源。與同類產(chǎn)品相比，該大容量模塊的接觸電阻較低，從而減少了對(duì)復(fù)雜溫度設(shè)計(jì)和熱傳導(dǎo)器件的需求。G7EB-E 120A Carry PCB繼電器具有SPST-NO（1a）觸點(diǎn)形式、10kV高脈沖耐受電壓和-40°C至+85°C環(huán)境溫度范圍。適合于功率調(diào)節(jié)器以及逆變器等應(yīng)用環(huán)境。

• G9KB高壓開關(guān)繼電器是大功率直流PCB繼電器，具有雙向600V_DC容量和50A切換能力，低接觸電阻和低線圈功耗的特點(diǎn)。接點(diǎn)間距3.6mm以上，具有85°C環(huán)境溫度和12V_DC或24V_DC額定線圈電壓。應(yīng)用包括直流家用和商用電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和能源行業(yè)。

• G7L-X PCB功率繼電器提供1000V_DC的負(fù)載開關(guān)，滿足太陽能逆變器安全標(biāo)準(zhǔn)，低接觸電阻特性可以實(shí)現(xiàn)低溫。提供12或24V_DC線圈額定電壓，繼電器有兩個(gè)串聯(lián)接線的接線柱，可斷開或開關(guān) 600-1000V_DC。接線柱觸點(diǎn)可提供20A或25A開關(guān)電流。

• G2RG-X具有兩極觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用兩極串聯(lián)接線，額定值為直流500V 10A 的 PCB 繼電器。適用于使用了DC300-400V的AC200V整流電路、直流供電、家用蓄電池等的沖擊電流防止電路的開閉，有助于設(shè)備的小型化。G2RG-X還可用于限制設(shè)備啟動(dòng)時(shí)充電電流過度流向內(nèi)部電容器的沖擊電流防止電路、以及設(shè)備停運(yùn)時(shí)對(duì)內(nèi)部電容器進(jìn)行放電并降至安全電壓的放電電路。G2RG-X通過小型機(jī)身和較小的設(shè)置面積，有助于印刷電路板的小型化。貼裝底面積與G2R幾乎相同，實(shí)現(xiàn)DC500V 10A的高壓開閉。

貿(mào)博士點(diǎn)評(píng)

智慧能源可以做到什么程度？

能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型大勢(shì)所趨，智慧化是綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)支撐已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。

智慧能源生態(tài)要求在能源生產(chǎn)、能源儲(chǔ)運(yùn)、能源管理與能源消費(fèi)環(huán)節(jié)中更加“聰明”地管理與使用能源。這其中，云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、5G技術(shù)的融合發(fā)展，正改變能源的生產(chǎn)、運(yùn)行、傳輸模式，智慧能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生——以電力系統(tǒng)為核心紐帶，構(gòu)建多類型能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源系統(tǒng)的清潔低碳與安全高效，推動(dòng)整個(gè)能源產(chǎn)業(yè)的升級(jí)革命。隨著“雙碳”時(shí)間表的推進(jìn)，圍繞低碳、經(jīng)濟(jì)、安全的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，高效率太陽能光伏電池、儲(chǔ)能技術(shù)、智能電網(wǎng)等技術(shù)的創(chuàng)新加速。同時(shí)，能源技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的深度融合，不斷衍生新的業(yè)務(wù)模式和商業(yè)機(jī)會(huì)，展現(xiàn)更廣闊的市場(chǎng)空間。

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