适用于集成存储和电动汽车充电的光伏系统的 SiC MOSFET 模块-电子发烧友网

因为使用化石燃料带来的问题，世界正面临各种气候挑战，所以很多能源部门正转型以应对，不仅电力生产转向更多可再生能源，住宅部门也在改变用电方式，如电动汽车的普及和热泵取暖。

这些变化导致电力需求增加和住宅用电成本上升，进而推动了太阳能光伏、家庭电力存储和电动汽车充电设备的普及。这篇文章将讨论SiC MOSFET如何通过创新封装技术，有效整合这些电力需求，推动电力电子转换器概念的实现。

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如今，许多家庭已经使用太阳能光伏 (PV) 系统。如果不需要立即为本地负载供电，则没有本地储能系统的系统会将可用电力馈入电网。在大多数情况下，馈入电网的电力报酬远低于从电网购买电力的成本。因此，光伏系统运营商有兴趣最大限度地利用从光伏获得的电力，并尽量减少从电网购买能源。这可以通过本地储能系统(ESS) 实现，原则上，可以采用两种方法将 ESS 添加到光伏系统。

图：1a

交流耦合储能系统可以添加到现有的光伏装置中，这些装置已经配备了现有的光伏逆变器，但没有集成储能选项。在这里，储存起来并在以后使用的能量经过多个转换阶段，如图 1a 所示。在这种系统中，储存起来供以后使用的能量在储存阶段经过四个转换阶段，在提供给本地负载时再次经过两个转换阶段。即使假设每个阶段的效率为 98%，总转换路径效率也达到 88.5%。

图：1b

包含储能选项的光伏系统新装置最有可能使用具有集成功率级的光伏逆变器，将储能耦合到直流总线。这种方法减少了发电、储能和用水之间的功率转换量，如图 1b 所示。这里，在存储阶段仅经过两个阶段，在电池存储能量的利用阶段又经过两个阶段。转换步骤的减少导致效率提高 92%，假设每个转换阶段的效率再次为 98%。

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除了住宅光伏装置中的储能外，现在人们家中也安装了越来越多的电动汽车 (EV) 充电点。这种所谓的家庭充电可以通过两种不同的方式实现：交流充电或直流充电。目前最常见的方法是交流充电。在这里，交流壁挂箱为电动汽车提供交流电，然后通过车载充电器 (OBC) 将其转换为直流电并应用于车辆电池。

图：2a

另一种方法是安装所谓的直流壁挂箱，负责将交流电转换为直流电，然后提供给车辆。两种方法如图 2 所示。从能量流的角度来看，无论是将光伏能源直接提供给车辆进行充电的情况，还是将存储的能源从 ESS 传输到 EV 电池的情况，它们都非常相似。主要区别在于 EV 充电的电力转换是在车辆内部还是外部进行。

图：2b

作为集成和优化的合理步骤，直流壁挂箱的功能可以集成到光伏逆变器中带(或不带)能量存储选项。由此产生的集成转换器概念如图 3 所示。通过将 ESS 和 EV 充电与公共直流链路上的 PV 逆变器耦合，仅使用两个转换阶段就可以将能量从任何输入端口转移到任何输出端口。转换阶段的减少导致每两个节点之间的效率提高 96%，假设每个转换阶段的效率再次为 98%。

图：3

当然，如果 PV 产生的能量首先存储在 ESS 中，然后用于充电或本地负载，则预计效率为 92%。如果 EV 和隔离式 DC/DC 转换器支持双向操作，则 EV 电池甚至可以在车辆连接时用作额外的本地存储。

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除了能够提高电力传输效率外，集成系统还提供了降低投资成本的可能性。这里讨论的单个集成转换器比带有 ESS 和单独 DC 壁箱的 PV 逆变器解决方案少一个转换级，并且只需要一个外壳。因此，可以预期这种转换器的成本低于两个独立单元的成本。

图：4

为了实现这种集成转换器，需要四个电源转换级。下一节将讨论一些拓扑选项，并提出如何使用包含最新一代 ROHM SiC MOSFET 的小型电力电子模块来实现这些选项的建议。这里考虑的模块取自即将推出的紧凑型传递模塑封装系列，其中包含表 1 所示的 SiC Gen 4 SiC MOSFET。

表：1

我们假设标称功率在 11 kW 范围内，预计这属于大多数住宅光伏系统的功率范围。由于此功率范围的系统通过三相连接与电网连接，因此直流链路电压约为 800V，因此必须使用 1200V 半导体。在此电压范围内，SiC MOSFET 在性能方面比 Si IGBT 具有显著优势。

对于将光伏模块连接到公共直流链路的 DC/DC 级，最简单的解决方案是标准升压转换器，如图 4 所示。在此处考虑的典型功率范围内，通常使用多个并联运行的此类升压转换器来实现这一点，从而为多个光伏串提供独立的最大功率点跟踪。高压电池接口可以实现为双向 DC/DC 转换器，如图 5 所示。

图：5

需要使用双向电路来实现 DC/AC 级，以便在本地蓄电池电量耗尽且没有光伏能源可用时，使电力流向电网/本地 AC 负载，以及从 AC 到 DC 的电力流，从而为电动汽车充电。图 4 所示的三相全桥拓扑结构可以轻松满足这些要求，并且使用 SiC MOSFET 具有很高的效率。

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图：6

出于安全考虑，电动汽车充电端口的 DC/DC 级通常采用隔离转换器。集成电源转换器中的公共 DC 链路固定在 800V 左右。DC/DC 转换器输出需要覆盖宽电压范围，以支持电池电压约为 400V 的电动汽车以及电池电压在 800V 范围内的电动汽车。

因此，不建议使用 OBC 中相当常见的 CLLC 拓扑，因为在输入输出传输比变化范围较大的情况下，它不是最佳选择。相反，最好使用双有源桥 (DAB)，如图 7 所示。

图：7

此处所示的所有拓扑结构均可使用分立封装(例如 TO247-4L)中的 1200V SiC MOSFET(以及用于升压级的 SBD)来实现。如表 2 所示，仅使用分立元件实现将需要总共 24 个功率半导体器件。对于分立解决方案，必须针对每个晶体管开关在封装级别解决爬电距离要求。这会导致元件相当大，即使封装内的 SiC 芯片很小。通过将多个芯片组合在单个传递模塑封装内，可以减少总体空间要求 - 部分原因是可以一次解决整个拓扑的爬电距离问题。图 8 显示了六开关全桥模块的情况。

图：8

在实现用于 OBC 应用的 AC/DC 级的测试板中评估了 BST38T2P4K01-VW(36 mΩ，1200 V，6 合 1)的开关损耗性能 [1]。通过该模块的双脉冲测试对开关损耗进行评估的结果(如图 9 a) 所示)同样适用于此处考虑的双向 DC/AC 级的情况。基于这些数据，对 11 kW 系统的双向 AC/DC 级进行了模拟。图 9 b) 所示的模拟结果预测，基于 BST38T2P4K01-VW 的 11 kW AC/DC 级的效率将达到 99% 左右(假设开关频率为 48 kHz 并使用强制风冷的散热器(仅考虑半导体损耗)。

图：9a

图：9b

如此小巧的传递模塑封装不仅可以实现集成光伏逆变器的 DC/AC 级全桥，还可以实现本地存储和电动汽车充电附加功能。此外，可以使用表 2 所示产品系列中的不同类型的模块来解决各种 DC/DC 级问题。对于多 MPPT 升压，可以使用 6 合 1 模块的三个半桥，DAB 可以使用两个 4 合 1 模块构建。非隔离 DC/DC 转换器可以采用多种方式设计，既可以使用基于 4 合 1 或 6 合 1 模块的交错多相 DC/DC 方法，也可以使用半桥模块。