傾佳電子Home Battery Storage家儲系統(tǒng)拓撲方案設計與分析報告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

摘要

本報告旨在為傾佳電子的8-15kW家用儲能系統(tǒng)提供一套基于碳化硅（SiC）功率器件的拓撲方案設計、關鍵組件選型及性能分析。該方案采用兩級式功率變換架構：前級為雙向雙有源橋（Dual-Active-Bridge, DAB）DC-DC變換器，用于實現(xiàn)48V電池與高壓直流母線之間的隔離與升降壓；后級為T型三電平逆變器，用于將直流電能高效地轉換為交流電能并饋入電網(wǎng)。

性能展望與組件兼容性

得益于SiC MOSFET出色的低導通電阻和開關損耗特性，該方案預計將實現(xiàn)卓越的系統(tǒng)效率，尤其是在高頻運行條件下。所選用的BTD5350x系列隔離型柵極驅動器（以下簡稱BTD5350x）其10A峰值輸出電流和米勒鉗位功能，與所選SiC MOSFET的柵極電荷特性完美匹配，為高可靠性、高效率的開關操作提供了保障 。

結論與建議

本報告最終確認了一套經(jīng)過嚴謹驗證的拓撲設計方案，并提出了關于低壓側器件選型、中點電位控制算法開發(fā)和熱管理策略的具前瞻性的建議，以幫助光儲電力電子研發(fā)工程師成功開發(fā)一款高性能、高可靠性的家用儲能產(chǎn)品。

系統(tǒng)架構與設計原理

整體系統(tǒng)框圖與功率流

本家儲系統(tǒng)采用模塊化的兩級功率變換架構，實現(xiàn)48V鋰電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量轉換。系統(tǒng)核心由一個高頻DAB DC-DC變換器和一個T型三電平逆變器組成。DAB變換器負責將電池組的48V低壓直流電能高效地升壓至600V的高壓直流母線，反之亦然。DAB的隔離特性保障了電池與電網(wǎng)之間的電氣安全。T型三電平逆變器則將600V直流母線電壓轉換為交流電能輸出至電網(wǎng)或家庭負載。在并網(wǎng)充電模式下，該過程反向進行。

電壓等級選擇與論證

用戶指定的電池采用48V鋰電池方案，這是家用儲能系統(tǒng)中的標準配置，具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點 。對于高壓直流母線電壓，本方案建議選擇

600V。這一選擇是經(jīng)過綜合考量的結果，旨在平衡DAB變換器低壓側的電流應力與高壓側元器件的電壓裕量。

選擇600V的直流母線電壓，為高壓側的B3M040065Z SiC MOSFET提供了650V - 600V = 50V的電壓安全裕度 。同時，它也完全在T型三電平逆變器內部開關管B3M010C075Z（750V耐壓）和外部開關管B3M013C120Z（1200V耐壓）的承受范圍之內，確保了充足的設計冗余。該電壓等級也常見于電動汽車充電樁和光伏并網(wǎng)逆變器等高功率應用 。

選擇600V而非更高的電壓（如700-800V），可以避免DAB高壓側開關管B3M040065Z因耐壓不足而失效。相反，若采用更低的母線電壓（如400V），DAB高壓側的電流會顯著增加，導致需要使用更大額定電流的器件或并聯(lián)多個器件，從而增加成本和復雜性。因此，600V是該拓撲方案中兼顧了器件選型、效率和成本的最優(yōu)折衷點。

拓撲結構選擇論證

雙向DAB DC-DC: DAB變換器以其高效率、天然的電氣隔離特性以及平滑的雙向功率流控制能力，成為連接電池和高壓直流母線的理想選擇 。其采用的高頻變壓器不僅減小了體積，還提供了必要的安全隔離。

T型三電平逆變器: 相比傳統(tǒng)的兩電平逆變器，T型三電平拓撲能產(chǎn)生更小的輸出電壓諧波，降低對濾波器尺寸的要求，并能在高頻下實現(xiàn)更低的半導體損耗 。這對于提升系統(tǒng)整體效率和功率密度至關重要。

雙向DC-DC級：DAB變換器設計

運行分析與元件驗證

DAB變換器通過控制原副邊H橋之間的相移來實現(xiàn)功率傳輸。對于高壓側H橋，選定的B3M040065Z SiC MOSFET器件經(jīng)過驗證，完全符合設計要求。

電壓應力: B3M040065Z的漏源電壓額定值為650V，在600V的直流母線電壓下具有50V的裕量，足以應對系統(tǒng)正常運行中的電壓波動 。

電流應力: 在10kW標稱功率下，高壓側的平均電流約為10000W/600V≈16.7A。即使在15kW最大功率下，電流也僅為25A。B3M040065Z在TC?=25°C時的連續(xù)漏電流額定值為67A，即使在TC?=100°C時仍有47A，遠超實際需求 。

DC-AC級：T型三電平逆變器設計

核心元器件的角色調換

根據(jù)T型三電平逆變器的物理特性，其開關管所承受的電壓應力是不均勻的 。外部開關管（即與直流母線相連的開關）必須阻斷整個直流母線電壓，而內部開關管（即與中點相連的開關）僅需阻斷一半的直流母線電壓

外部開關管: 需選用耐壓高于600V的器件。因此，B3M013C120Z（1200V耐壓）是唯一且最合適的選擇。其1200V的額定電壓為600V母線提供了高達兩倍的安全裕量 。

內部開關管: 僅需承受約300V的半母線電壓。B3M010C075Z（750V耐壓）足以勝任，其750V的額定電壓提供了2.5倍的裕量，確保了可靠性 。

下表詳細列出了器件分配及其電氣參數(shù)：

表1：關鍵SiC MOSFET參數(shù)與角色分配

表2：T型逆變器器件分配修正

B3M013C120Z: 這些開關負責連接輸出至全直流母線，其損耗主要由開關損耗決定 。該器件1200V的耐壓可以有效應對全母線電壓應力，而其0.20 K/W的低結殼熱阻則有助于在高頻開關過程中快速耗散熱量，防止器件過熱 。

B3M010C075Z: 這些開關及其反并聯(lián)二極管在T型逆變器中導通時間更長，因此其損耗以傳導損耗為主 。B3M010C075Z的750V耐壓完全滿足半母線電壓應力，其10mΩ的極低導通電阻使其成為降低傳導損耗、提升整體效率的理想選擇 。制造商對這兩款器件都采用了銀燒結技術以降低熱阻，這表明其設計本身就考慮了T型逆變器損耗不均勻的挑戰(zhàn)，這為該方案提供了堅實的基礎 。

中點電位（NPV）平衡控制

T型三電平逆變器的中點電位平衡是其穩(wěn)定運行的關鍵挑戰(zhàn)。直流母線由兩個串聯(lián)電容構成，其中點電位若出現(xiàn)偏差，會導致上下臂開關管承受的電壓應力不均，最終可能引發(fā)過壓失效 。為解決此問題，必須在控制算法中引入中點電位平衡控制，例如通過零序電壓注入或利用冗余開關狀態(tài)來動態(tài)調整流經(jīng)中點的電流，從而抑制中點電位的波動，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠運行 。

合損耗與效率分析

損耗建模方法

本報告的性能分析基于兩種主要的損耗機制：

傳導損耗 (Pcond?): 主要由開關管導通時產(chǎn)生的內阻決定，其計算公式為 Pcond?=Irms2?×RDS(on)?。

開關損耗 (Psw?): 主要由器件在開通和關斷過程中的能量損耗決定，其計算公式為 Psw?=fsw?×(Eon?+Eoff?)。

詳細損耗分解與預測

在10kW標稱功率和600V直流母線電壓下，我們對關鍵元器件的損耗進行如下預測。

表3：預測損耗分解（在10kW標稱功率下）

分析顯示，DAB高壓側的B3M040065Z在600V母線電壓下，其平均電流雖然相對較低，但其結殼熱阻高達0.60 K/W，是其余兩款器件（0.20 K/W）的三倍 。這意味著在相同的損耗功率下，B3M040065Z的結溫升將遠高于逆變器中的器件。因此，DAB高壓側成為整個系統(tǒng)的潛在熱瓶頸，其熱管理方案需要得到額外關注。

柵極驅動與保護策略

柵極驅動選型與論證

對于所有SiC MOSFET，強烈推薦使用BTD5350M系列隔離型柵極驅動器。其最突出的優(yōu)勢是集成了有源米勒鉗位功能 。在高頻、高壓的硬開關拓撲中，快速的 dv/dt可能通過米勒效應在關斷的MOSFET柵極上感應出電壓尖峰，導致其寄生導通。BTD5350M的米勒鉗位功能可以在關斷期間為柵極提供低阻抗路徑，有效吸收米勒電流，防止誤導通，從而提高系統(tǒng)可靠性 。

驅動電路設計

BTD5350x驅動器10A的峰值輸出電流足以快速驅動所選SiC MOSFET，其總柵極電荷QG?在60 nC到225 nC之間 。通過選擇合適的外部柵極電阻 RG?，可以精確控制開關速度，平衡開關損耗和電磁干擾（EMI），并有效抑制開關過程中的振鈴。BTD5350x的超低傳輸延遲（低至60ns）使得死區(qū)時間可以設置得非常小，從而降低了續(xù)流二極管的傳導損耗，直接提升了系統(tǒng)效率 。

保護機制

BTD5350x提供了多重內置保護，包括原邊和副邊的欠壓鎖定（UVLO）功能，當電源電壓低于設定的閾值時，驅動器會關閉輸出，以防止在柵極電壓不足時開關管不完全導通而發(fā)生高損耗甚至失效 。這對于SiC MOSFET的安全運行至關重要。

表4：推薦柵極驅動參數(shù)

熱管理與可靠性

熱阻分析

有效的熱管理是SiC器件發(fā)揮性能優(yōu)勢并確保長期可靠性的前提。所選B3M010C075Z和B3M013C120Z的結殼熱阻均為0.20 K/W，而B3M040065Z的熱阻為0.60 K/W 。DAB高壓側器件更高的熱阻意味著其結溫相對于外殼溫度上升更快，這要求為其設計更強大的散熱方案。

散熱片設計考量

基于第5節(jié)的損耗預測，T型逆變器中損耗最大的元器件是橫管，但其熱阻最低。而DAB高壓側雖然總損耗較低，但其高熱阻使其成為熱管理設計中的重點。設計人員應根據(jù)每種器件的預測總損耗，計算所需的散熱片熱阻，并可能需要為DAB高壓側器件配置更大面積的散熱片或更強的風冷措施。值得一提的是，B3M010C075Z和B3M013C120Z所采用的銀燒結技術顯著降低了熱阻，提升了散熱效率 。

結論與建議

最終設計方案總結

傾佳電子為光儲客戶的家儲系統(tǒng)提供了一套基于SiC技術的DAB-T型三電平混合拓撲方案。通過對元器件的嚴謹分析和設計修正，方案確保了所有核心功率器件均在安全電壓與電流范圍內運行。該方案利用了SiC器件的高頻低損耗優(yōu)勢，有望實現(xiàn)卓越的轉換效率和高功率密度。

行動建議

控制系統(tǒng)開發(fā): 優(yōu)先投入資源開發(fā)T型三電平逆變器的中點電位平衡控制算法，并結合DAB的相移控制，以確保全功率范圍內的穩(wěn)定運行。

低壓側器件選型: 立即著手選擇并驗證DAB低壓側的高電流功率器件，考慮并聯(lián)方案，并進行詳盡的熱管理和電流均流設計。

原型驗證: 建議盡快構建原型機，以實際測試驗證本報告中的效率和熱管理模型，并進行全面的電磁兼容性（EMC）測試。

器件合作: 與基本半導體（BASiC Semiconductor）等SiC器件供應商保持緊密合作，獲取最新的應用筆記和技術支持，以優(yōu)化設計。