太陽能光伏系統(tǒng)、儲能技術(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”目標實現(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)電效率會大幅下降。這就需要儲能系統(tǒng)的支持——將多余的電力儲存起來，在需要的時候釋放出來，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和電動化趨勢的加速推動，儲能技術(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，為儲能應(yīng)用帶來前沿解決方案，有利于實現(xiàn)能源的高效利用，為推動碳中和方面發(fā)揮顯著優(yōu)勢。

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梳理了關(guān)于太陽能光伏系統(tǒng)、儲能技術(shù)和第三代半導(dǎo)體在整個智慧能源轉(zhuǎn)型進程中發(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，消費電子類、便攜式醫(yī)療電子設(shè)備、工業(yè)級和物聯(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，從而大限度地延長電池的壽命。提供的電池電量計、鋰離子保護技術(shù)以及開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，利用超低靜態(tài)電流延長了運行時間、待機時間、保質(zhì)期和整體電池壽命，這對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、全面的保護器和精確的電量計。電量計精度差可能導(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來指示電池狀態(tài)以及可用的運行時間。新電池管理方案通過使用AccuCharge解決了這些挑戰(zhàn)。利用電量計控制集成充電器，將電量計集成到充電器中，提高充電精度，簡化充電管理

Fuel Gauge可測量手持應(yīng)用中的電池容量，采用無縫的檢測技術(shù)，具有出色的充電精度。高端電流檢測支持下游故障檢測并避免接地干擾。模擬積分器對電荷直接進行數(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。某些型號還提供電池電壓和溫度或集成檢測電阻并進一步提高精度。

電池供電設(shè)備可通過USB Type-C連接器提供高達240W的功率，為電子產(chǎn)品提供了巨大優(yōu)勢。USB PD帶來了新的電源要求挑戰(zhàn)，因為USB PD標準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?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IC，包括端口檢測器、微控制器和充電器，以實現(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。獨立的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載發(fā)生變化，電量計量會非常困難；而庫倫計數(shù)方法要求復(fù)雜的補償，以消除累計失調(diào)誤差。ModelGauge m5電量計包括成熟的算法，將電池電壓、電流及溫度等原始測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SOC%、mAhr、剩余工作時間，所有這些不僅改善設(shè)備的用戶體驗，而且極大程度提高電池工作時間。

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02

Littelfuse

功率半導(dǎo)體和電路保護方案

在太陽能及電池儲能應(yīng)用

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

隨著全球“雙碳”進程的深入，太陽能作為相對比較成熟的綠色能源，其發(fā)展也進一步提速，帶動了相關(guān)的太陽能逆變器以及電池能量存儲市場的加速發(fā)展。市場研究機構(gòu)MarketsandMarkets的相關(guān)預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，太陽能逆變器和電池能量存儲市場將分別以15.6%和33.9%的年復(fù)合增長率成長。

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）

• 擁有兩個逆變器：帶蓄電池的雙向逆變器和一個太陽能逆變器，由于多個中壓變壓器、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）

• 單臺逆變器為負載供電，效率更高，因為電源無需多次逆變。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。

太陽能逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和應(yīng)用類型

1.微型逆變器

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

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。

Littelfuse的太陽能逆變器和電池儲能系統(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)備的安全標準（UL 1741）和評估發(fā)生熱失控的電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)特性的方法標準（UL 9540A）的標準認證。

• 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）的標準。

• 符合IEC 61683（本標準規(guī)定了測量獨立式和公用事業(yè)互動式光伏系統(tǒng)所用功率調(diào)節(jié)器效率的準則）、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）的安全性認證。

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03

Wolfspeed

從硅器件到碳化硅器件

先進技術(shù)賦能儲能應(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？可以為儲能應(yīng)用帶來怎樣的前沿解決方案以實現(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？

• 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的臨界擊穿場強（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的散熱能力會因為Si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？

• 在較低負載條件下，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。

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04

OMRON

歐姆龍產(chǎn)品在光伏儲能系統(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、儲能方案等如何助力逆變器/儲能系統(tǒng)的小型化，推動可再生能源的普及。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年的社會圖景中——導(dǎo)入了低環(huán)境負荷的新能源，所有產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施直流化。通信高速大容量化，通過社會和家庭的IoT進展，所有產(chǎn)品互相連接并持續(xù)穩(wěn)定運轉(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然。

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• G9KA專為商業(yè)PV逆變器市場中的高電壓/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、風扇等散熱措施產(chǎn)生的設(shè)計成本，并且通過簡單的散熱器設(shè)計使產(chǎn)品小型化，有助于設(shè)計出小巧、輕便的終端產(chǎn)品。支持800VAC / 200A的負載切換，同時具有低接觸電阻（<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，具有高容量負載額定值，與標準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，從而減少了對復(fù)雜溫度設(shè)計和熱傳導(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。接點間距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、儲能系統(tǒng)和能源行業(yè)。

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

• G2RG-X具有兩極觸點結(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)備啟動時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)備停運時對內(nèi)部電容器進行放電并降至安全電壓的放電電路。G2RG-X通過小型機身和較小的設(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，實現(xiàn)DC500V 10A的高壓開閉。

貿(mào)博士點評

智慧能源可以做到什么程度？

能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型大勢所趨，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。

智慧能源生態(tài)要求在能源生產(chǎn)、能源儲運、能源管理與能源消費環(huán)節(jié)中更加“聰明”地管理與使用能源。這其中，云計算、移動互聯(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)、運行、傳輸模式，智慧能源系統(tǒng)應(yīng)運而生——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)，從而實現(xiàn)整個能源系統(tǒng)的清潔低碳與安全高效，推動整個能源產(chǎn)業(yè)的升級革命。隨著“雙碳”時間表的推進，圍繞低碳、經(jīng)濟、安全的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，高效率太陽能光伏電池、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)等技術(shù)的創(chuàng)新加速。同時，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)機會，展現(xiàn)更廣闊的市場空間。

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