適用于集成存儲和電動汽車充電的光伏系統的 SiC MOSFET 模塊

因為使用化石燃料帶來的問題，世界正面臨各種氣候挑戰，所以很多能源部門正轉型以應對，不僅電力生產轉向更多可再生能源，住宅部門也在改變用電方式，如電動汽車的普及和熱泵取暖。

這些變化導致電力需求增加和住宅用電成本上升，進而推動了太陽能光伏、家庭電力存儲和電動汽車充電設備的普及。這篇文章將討論SiC MOSFET如何通過創新封裝技術，有效整合這些電力需求，推動電力電子轉換器概念的實現。

01

如今，許多家庭已經使用太陽能光伏 (PV) 系統。如果不需要立即為本地負載供電，則沒有本地儲能系統的系統會將可用電力饋入電網。在大多數情況下，饋入電網的電力報酬遠低于從電網購買電力的成本。因此，光伏系統運營商有興趣最大限度地利用從光伏獲得的電力，并盡量減少從電網購買能源。這可以通過本地儲能系統(ESS) 實現，原則上，可以采用兩種方法將 ESS 添加到光伏系統。

交流耦合儲能系統可以添加到現有的光伏裝置中，這些裝置已經配備了現有的光伏逆變器，但沒有集成儲能選項。在這里，儲存起來并在以后使用的能量經過多個轉換階段，如圖 1a 所示。在這種系統中，儲存起來供以后使用的能量在儲存階段經過四個轉換階段，在提供給本地負載時再次經過兩個轉換階段。即使假設每個階段的效率為 98%，總轉換路徑效率也達到 88.5%。

包含儲能選項的光伏系統新裝置最有可能使用具有集成功率級的光伏逆變器，將儲能耦合到直流總線。這種方法減少了發電、儲能和用水之間的功率轉換量，如圖 1b 所示。這里，在存儲階段僅經過兩個階段，在電池存儲能量的利用階段又經過兩個階段。轉換步驟的減少導致效率提高 92%，假設每個轉換階段的效率再次為 98%。

02

除了住宅光伏裝置中的儲能外，現在人們家中也安裝了越來越多的電動汽車 (EV) 充電點。這種所謂的家庭充電可以通過兩種不同的方式實現：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，交流壁掛箱為電動汽車提供交流電，然后通過車載充電器 (OBC) 將其轉換為直流電并應用于車輛電池。

另一種方法是安裝所謂的直流壁掛箱，負責將交流電轉換為直流電，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行充電的情況，還是將存儲的能源從 ESS 傳輸到 EV 電池的情況，它們都非常相似。主要區別在于 EV 充電的電力轉換是在車輛內部還是外部進行。

作為集成和優化的合理步驟，直流壁掛箱的功能可以集成到光伏逆變器中帶(或不帶)能量存儲選項。由此產生的集成轉換器概念如圖 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，僅使用兩個轉換階段就可以將能量從任何輸入端口轉移到任何輸出端口。轉換階段的減少導致每兩個節點之間的效率提高 96%，假設每個轉換階段的效率再次為 98%。

當然，如果 PV 產生的能量首先存儲在 ESS 中，然后用于充電或本地負載，則預計效率為 92%。如果 EV 和隔離式 DC/DC 轉換器支持雙向操作，則 EV 電池甚至可以在車輛連接時用作額外的本地存儲。

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

為了實現這種集成轉換器，需要四個電源轉換級。下一節將討論一些拓撲選項，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現這些選項的建議。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。

我們假設標稱功率在 11 kW 范圍內，預計這屬于大多數住宅光伏系統的功率范圍。由于此功率范圍的系統通過三相連接與電網連接，因此直流鏈路電壓約為 800V，因此必須使用 1200V 半導體。在此電壓范圍內，SiC MOSFET 在性能方面比 Si IGBT 具有顯著優勢。

對于將光伏模塊連接到公共直流鏈路的 DC/DC 級，最簡單的解決方案是標準升壓轉換器，如圖 4 所示。在此處考慮的典型功率范圍內，通常使用多個并聯運行的此類升壓轉換器來實現這一點，從而為多個光伏串提供獨立的最大功率點跟蹤。高壓電池接口可以實現為雙向 DC/DC 轉換器，如圖 5 所示。

需要使用雙向電路來實現 DC/AC 級，以便在本地蓄電池電量耗盡且沒有光伏能源可用時，使電力流向電網/本地 AC 負載，以及從 AC 到 DC 的電力流，從而為電動汽車充電。圖 4 所示的三相全橋拓撲結構可以輕松滿足這些要求，并且使用 SiC MOSFET 具有很高的效率。

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

因此，不建議使用 OBC 中相當常見的 CLLC 拓撲，因為在輸入輸出傳輸比變化范圍較大的情況下，它不是最佳選擇。相反，最好使用雙有源橋 (DAB)，如圖 7 所示。

此處所示的所有拓撲結構均可使用分立封裝(例如 TO247-4L)中的 1200V SiC MOSFET(以及用于升壓級的 SBD)來實現。如表 2 所示，僅使用分立元件實現將需要總共 24 個功率半導體器件。對于分立解決方案，必須針對每個晶體管開關在封裝級別解決爬電距離要求。這會導致元件相當大，即使封裝內的 SiC 芯片很小。通過將多個芯片組合在單個傳遞模塑封裝內，可以減少總體空間要求 - 部分原因是可以一次解決整個拓撲的爬電距離問題。圖 8 顯示了六開關全橋模塊的情況。

在實現用于 OBC 應用的 AC/DC 級的測試板中評估了 BST38T2P4K01-VW(36 mΩ，1200 V，6 合 1)的開關損耗性能 [1]。通過該模塊的雙脈沖測試對開關損耗進行評估的結果(如圖 9 a) 所示)同樣適用于此處考慮的雙向 DC/AC 級的情況?；谶@些數據，對 11 kW 系統的雙向 AC/DC 級進行了模擬。圖 9 b) 所示的模擬結果預測，基于 BST38T2P4K01-VW 的 11 kW AC/DC 級的效率將達到 99% 左右(假設開關頻率為 48 kHz 并使用強制風冷的散熱器(僅考慮半導體損耗)。

如此小巧的傳遞模塑封裝不僅可以實現集成光伏逆變器的 DC/AC 級全橋，還可以實現本地存儲和電動汽車充電附加功能。此外，可以使用表 2 所示產品系列中的不同類型的模塊來解決各種 DC/DC 級問題。對于多 MPPT 升壓，可以使用 6 合 1 模塊的三個半橋，DAB 可以使用兩個 4 合 1 模塊構建。非隔離 DC/DC 轉換器可以采用多種方式設計，既可以使用基于 4 合 1 或 6 合 1 模塊的交錯多相 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穩健性和可靠性標準，并且是專門為緊湊型轉換器設計提供最佳解決方案而開發的。這些模塊不僅針對此處討論的帶有存儲和電動汽車充電選項的集成光伏逆變器應用，而且還可以作為其他工業或汽車應用的寶貴構建模塊。

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 的仿真模型和數據表。

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

該集成系統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?？傮w而言，在這些創新封裝中使用 1200 V SiC MOSFET 有利于實現集成存儲和電動汽車充電的光伏系統的高效電力電子轉換器概念。