安森美：<span style='color:red'>电池储能系统</span>的 DC-DC 功率转换拓扑结构
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安森美：电池储能系统的 DC-DC 功率转换拓扑结构

　　近年来， 太阳能等可再生能源的应用显著增长。推动这一发展的因素包括政府的激励措施、技术进步以及系统成本降低。虽然光伏(PV)系统比以往任何时候都更加合理， 但仍然存在一个主要障碍， 即我们最需要能源时，太阳能并不产生能源。清晨，当人们和企业开始一天的工作时，对电网的需求会上升;晚上，当人们回到家中时，对电网的需求也会上升。然而，太阳能发电是在太阳升起后逐渐攀升的，但在需求量大的时段，如傍晚太阳落山后，还是无法提供能源。因此，太阳能等可再生能源越来越多地与储能系统集成， 以储存能源供后续使用。　　与太阳能光伏发电配套的储能系统通常采用电池储能系统(BESS)。关于BESS的进步，如更优质、更廉价的电池已显而易见，但较少提及的是更高效功率转换方法的应用。在深入探讨现代功率转换拓扑结构之前，应该先讨论一些重要的设计考虑因素。　　隔离型与非隔离型　　隔离型功率转换拓扑在DC-DC阶段通过使用变压器来实现初级侧与次级侧的电磁隔离。因此，初级侧与次级侧各自拥有独立的地线，而非共用接地。由于增加了变压器，隔离型拓扑成本更高、体积更大且效率略低，在并网应用中，出于安全考虑， 电流隔离至关重要。　　双向功率转换　　双向拓扑结构减少了连接低压 BESS 至相应高压直流母线所需的功率转换模块数量。安森美(onsemi)的 25 kW快速直流电动汽车充电桩参考设计就是利用两个双向功率转换模块的一个例子。该双向转换器与电网连接，为电动汽车的直流电池充电。AC-DC转换阶段采用三相 6组(6-pack) 升压有源前端，而DC-DC阶段采用双有源桥 (DAB) 拓扑。DC-DC双有源桥是较为流行的拓扑结构之一，稍后将对其进行讨论。　　硬开关与软开关　　传统的功率转换器采用硬开关控制方案。硬开关的问题在于，当晶体管从导通状态切换到关断状态时(反之亦然) ，漏极至源极电压(VDS)会降低，而漏极电流(ID)会增加。两者存在重叠， 这种重叠会产生功率损耗，称为导通损耗和关断开关损耗。软开关是一种用于限制开关损耗的控制方案，其方法是延迟 ID 斜坡到 VDS 接近于零时导通;延迟 VDS 斜坡到 ID 接近于零时关断。这种延迟被称为死区时间，电流/电压斜坡分别被称为零电压(ZVS) 和零电流开关(ZCS) 。软开关可通过谐振开关拓扑(如 LLC 和 CLLC 转换器)实现，以大幅降低开关损耗。　　两电平与三电平拓扑(单相与双相)　　三电平转换器拓扑结构比两电平拓扑结构更具优势，原因有以下几点。首先，三电平拓扑结构的开关损耗低于两电平拓扑结构。开关损耗与施加在开关上的电压平方(V2)成正比，在三电平拓扑结构中， 只有一半的总输出电压被(部分)开关所承受。其他优势来自于更低的电流纹波和 EMI。同样，只有一半的总输出电压被施加到升压电感器上，从而降低了电流纹波，使其更易于滤波。EMI 与电流纹波直接相关，降低电流纹波也就降低了 EMI。由于峰值-峰值开关电压降低， dV/dt 和 dI/dt 也随之降低，从而进一步减少了 EMI。　　宽禁带技术　　如碳化硅(SiC) 等宽禁带技术进一步提高了功率转换系统的效率。由于这些器件的固有特性，它们相比传统的硅基MOSFET具有许多优势。其中一些重要因素包括：　　由于击穿电场和禁带能量更高， 器件的击穿电压更高;　　热传导率更高，从而降低了冷却要求;　　导通电阻更低，从而改善了导通损耗;　　电子饱和速度更高，从而实现了更快的开关速度。　　DC-DC拓扑　　1.同步降压、同步升压以及反激式转换器　　同步转换器源自经典的降压和升压转换器。之所以称为同步转换器，是因为它用一个额外的有源开关取代了二极管。反激式转换器与同步转换器类似， 不同之处在于通过用耦合电感器(也称为 1:1 变压器)取代电感器，增加了隔离功能。　　增加这种变压器可以起到隔离的作用，但可能需要一个电压箝位缓冲电路来抑制变压器的漏电流。由于结构和调制方案简单，这些转换器的成本较低，但与一些更先进的拓扑结构相比，损耗和电磁干扰(EMI)往往较高。　　2.对称升压-降压　　对称降压-升压转换器是一种应用于高功率系统中的三电平拓扑结构实例。如前所述，对于标准的两电平转换器，开关上的电压应力来自于总母线电压，而对于更高功率的系统，这一数值可能达到1000V或更高。这就需要在高功率系统中使用额定电压为1200V及以上的晶体管。　　与此相反，像对称降压-升压转换器这样的三电平拓扑仅需使用额定电压为母线电压一半的器件，且还具有降低开关损耗、减小电磁干扰(EMI)以及更小的磁性元件体积等额外优势。其缺点主要源于对更多开关和更复杂控制算法的要求。　　3.飞跨电容转换器(FCC)　　飞跨电容转换器(FCC)是一种三电平转换器，这种配置能够实现双向功率流。它由四个开关、一个电感器和一个跨接在中间两个开关的飞跨电容组成。由于这是一种三电平拓扑结构，飞跨电容充当了箝位电容(或恒压源)的角色， 该结构还具有开关电压应力减半的优点。　　因此，这种拓扑结构的优点包括使用较低电压、 具有更高性能开关、无源元件尺寸较小以及减少了电磁干扰。这种电路拓扑结构的缺点是必须配备启动电路，将飞跨电容的电压调节到母线电压的一半， 从而充分利用低电压开关的优势。　　4.双有源桥(DAB)　　双有源桥(DAB)是最常见的隔离型双向拓扑之一。如图7所示，其在初级侧和次级侧均采用了全桥配置。每个桥通过移相控制，即控制相对于彼此相位偏移的方波，来控制功率流方向。　　此拓扑的一些优点包括：每个开关上的电压应力限于母线电压、 两侧所有开关上的电流应力大致相等，以及无需额外元件(如谐振电路)即可实现软开关。一些缺点则是由于高电流纹波，滤波电路至关重要，且在轻载条件下转换器的软开关能力可能会失效。　　5.LLC谐振转换器　　LLC 转换器是一种可利用软开关技术的谐振拓扑结构。下图显示了这种拓扑结构在初级侧可以采用半桥或全桥配置。LLC 转换器通常以单向模式运行，但也可以通过将现有的二极管换成有源开关来实现双向运行。该电路的谐振回路包括一个谐振电感器、一个谐振电容器和一个磁化电感器。与之前的 DAB 拓扑相比，该电路的一个优点是在整个负载范围内保持软开关特性。　　6.CLLC谐振转换器　　CLLC 转换器是另一种可利用软开关技术和双向功率流的谐振拓扑结构。它在初级侧和次级侧均包含一个谐振电感器和一个谐振电容器。该电路和其他在初级侧和次级侧都包含全桥的电路的一个共同优点在于，其控制原理是相同的。此外，与之前的 LLC 转换器一样， CLLC 可在整个负载范围内实现软开关特性。不过， CLLC 优于 LLC 拓扑的一个原因是对称谐振回路。LLC 拓扑具有非对称谐振回路，导致反向操作与正向操作不同。具有对称谐振回路的 CLLC解决了这一问题，因此更容易实现双向充电。　　电池储能系统持续演进，并伴随可再生能源发电技术得到更广泛的应用，这催生了对更高效、更可靠功率转换系统的需求。本文探讨了现代功率转换系统的重要特征以及实现这些特征的一些常见DC-DC电路拓扑。
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发布时间：2024-06-04 14:30 阅读量：958 继续阅读>>
安森美：如何通过SiC增强<span style='color:red'>电池储能系统</span>？
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安森美：如何通过SiC增强电池储能系统？

　　电池可以用来储存太阳能和风能等可再生能源在高峰时段产生的能量，这样当环境条件不太有利于发电时，就可以利用这些储存的能量。本文回顾了住宅和商用电池储能系统 (BESS) 的拓扑结构，然后介绍了安森美 (onsemi) 的EliteSiC方案，可作为硅MOSFET或IGBT开关的替代方案，改善BESS的性能。　　BESS 的优势　　最常用的储能方法有四种，分别是电化学储能、化学储能、热储能和机械储能。锂离子电池是家喻户晓的电化学储能系统，具有高功率密度、高效率、外形紧凑、模块化等特点。此外，锂离子电池技术成熟，因此非常可靠且成本较低。随着锂离子电池价格的持续下降，其在储能系统中的使用不断增加。使用带有储能电池的并网/离网太阳能逆变器系统，为住宅和商业用户带来诸多好处，包括：　　价格：当公用事业提供商的电价较高时，储存能量可以降低电费。　　自给自足：储存能量可以减少(或消除)对电网的依赖。　　备用电源：储存的电力可在主电源出现故障时用作替代电源。　　BESS主要构建模块　　BESS通常包括四大构建模块：　　可充电电池模块：其中包括机架式电池单元，其标称电压从50V到1000V以上不等。　　电池管理系统 (BMS)：BMS用于‘保护和管理可充电电池，确保电池在安全工作参数范围内运行。　　变流器 (PCS)：PCS将电池组连接到电网和负载，是影响BESS成本、尺寸和整体性能的一个重要因素。　　能源管理系统 (EMS)：EMS软件用于监测、控制和优化发电或输电系统。　　住宅BESS　　与BESS搭配使用的变流器可以按照耦合能量的方式(交流或直流)分类，也可以按照功率等级(住宅或商业)分类。直流耦合系统或混合逆变器仅需要一个电源转换步骤。然而，对于现有太阳能或风力发电系统而言，虽然交流耦合储能是一种简单的升级方案，但它需要额外的电源转换步骤来对电池充电和放电，因此可能会损失更多功率。例如，住宅变流器可以添加到现有太阳能逆变器系统中，以使用产生的能量为备用电池充电或为家用电器供电。　　双向DC-DC转换器用于连接电池组和直流链路。单相系统的母线电压通常小于600V，而充放电功率不会超过10kW。在这种情况下，降压-升压转换器是最常见的双向DC-DC拓扑，因为它需要的组件少且易于控制。在此类双向系统中，两个带有并联二极管的650V IGBT或MOSFET就足够了。例如，安森美650V FS4 IGBT FGH4L75T65MQDC50集成了SiC二极管，可在这种应用中实现低导通和低开关损耗。　　隔离可以确保BESS用户的安全，双有源桥转换器 (DAB) 或CLLC拓扑结构为BESS提供了隔离型双向DC-DC转换器方案。如果电池电压发生显著变化，级联前端降压-升压电路可以提供更宽范围的输入和输出电压。这种方法还降低了无功功率，并增加了软开关区的大小。NTP5D0N15MC 150 V N沟道屏蔽栅极PowerTrench MOSFET非常适合这些拓扑。　　商业和企业场所及具有较大功率需求的家庭通常采用标准的三相电源。在三相应用中，电源开关必须能够承受所需的工作电压和电流，以提供高达15kW 的输出功率，而且还要能够承受高于住宅装置所用的直流链路电压(高达1000V)。为此，可以将之前考虑的650V开关替换为1200V器件，作为三电平对称降压-升压拓扑的一部分。这样，开关损耗会更低，因为只有一半的输出电压出现在开关和二极管上。它的另一个优点是所需的电感更小，并且EMI性能得到改善。遗憾的是，这种方法需要更多组件，导致设计复杂性、控制难度和系统成本增加。　　商用BESS　　商用储能系统的输入和输出功率范围通常在100kW至2MW之间。这些大型装置可能由若干个三相子系统组成，功率范围从几十千瓦到超过100kW不等。在这类应用中，最大直流电压是一项关键参数，它取决于现有太阳能系统的母线电压或电池电压。标准商用太阳能逆变器的直流母线电压通常为1100V，但在公用事业规模系统中可能高达1500V。对于给定功率水平，提高直流母线电压会降低电流，从而降低互连电缆的成本。　　交流耦合系统更常用于商用BESS，因为它可以轻松添加到现有设计中。直流耦合系统对电气改造的要求相对较高，尤其是商用场合，因为必须将其连接到直流母线，而直流母线通常位于原系统内部，具有高电压和高电流。三电平I-NPC是大功率工业应用中常常与逆变器配合使用的拓扑结构。它有四个开关、四个反向二极管和两个钳位二极管，击穿电压低于实际直流链路电压，这意味着650V开关在1100V系统中就足够了。　　使用三电平拓扑结构有几个优点。首先，其开关损耗较低(与施加到开关和二极管的电压的平方成正比)。其次，其电流纹波较低，并且峰峰值电压为总输出的一半，因而更容易利用较小、成本较低的电感进行滤波。最后，与电流纹波相关的传导EMI更低，电磁辐射也更低。升级到A-NPC拓扑可提供更好的性能，因为它用两个更低损耗的有源开关取代了两个钳位二极管。然而，对于这种架构，驱动器配对和延迟匹配至关重要，但这在某些应用中可能是一个不利因素。　　SiC方案有助于改善BESS性能　　SiC具有比硅更优越的性能特征，例如：更宽的带隙、更高的击穿场强和更高的热导率。这些特性使SiC器件能够在更高的频率下工作，而无需权衡输出功率与电感尺寸。凭借SiC带来的更高工作效率，在某些情况下，可使用自然散热来代替强制风冷。安森美的650 V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC是取代储能系统应用中硅基开关的理想选择。同时，EliteSiC功率集成模块采用1200V NXH40B120MNQ0双升压和NXH010P120MNF1 2件装半桥，可以在公用事业规模系统中提供更高的功率密度。安森美还提供其他几种组件，包括栅极驱动器、电流检测放大器和MACPHY以太网控制器，都可用于BESS应用。
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发布时间：2023-11-14 09:32 阅读量：1729 继续阅读>>
安森美：如何将<span style='color:red'>电池储能系统</span>的性能提升到更高水平
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安森美：如何将电池储能系统的性能提升到更高水平

　　可再生能源(如太阳能和风能)的一大问题在于，它们并不完全可控。因此，在可再生能源充足时使用电池储存多余的能量是有必要的。本文AMEAY360电子元器件采购网介绍了住宅和商用电池储能系统 (BESS) 之间的区别及其各自的常见电路拓扑。本文还建议使用安森美 (onsemi) 的碳化硅 (SiC) 方案，将 BESS 性能提升到全新水平。　　采用 BESS 的优势　　使用带有储能电池的并网/离网太阳能逆变器系统，为住宅和商业用户带来诸多好处，包括：　　价格：储存能量，可作为公用事业供应商的替代方案来降低电费。　　自给自足：储存能量，可以减少(或消除)对电网供电的依赖。　　备用电源：储存电力，可在主电力故障时用作替代电源。　　BESS 主要构建模块　　BESS 通常包括四大构建模块：　　可充电电池模块：包括机架式电池单元，容量范围从 50 V 到 1000 V 以上不等。　　电池管理系统 (BMS)：BMS 系统可以保护和管理可充电电池，确保它们安全工作。　　变流器 (PCS)：PCS 系统将电池组连接到电网和负载　　能源管理系统 (EMS)：该软件可以监测、控制和优化BESS。　　住宅BESS　　与 BESS 搭配使用的变流器按照耦合能量的方式(交流或直流)和功率等级(住宅或商业)分类。直流耦合系统或混合逆变器只需要一个电源转换步骤，而交流耦合的能量存储是现有直流耦合系统的升级版本。　　双向 DC-DC 转换器连接电池组和直流链路。单相系统的母线电压通常小于 600 V，而充放电功率不会超过 10 kW。降压-升压转换器是最常见的双向 DC-DC 拓扑，因为它需要的组件少且易于控制。两个 650 V IGBT 或 MOSFET 搭配并联二极管，例如安森美 FGH4L75T65MQDC50 650 V FS4 IGBT(带集成 SiC 二极管)，非常适合此类双向系统。　　隔离可以确保 BESS 用户的安全，双有源桥转换器 (DAB) 或 CLLC 拓扑结构为 BESS 提供了隔离型双向 DC-DC 转换器方案。在这方面，安森美 NTP5D0N15MC 150 V N 沟道屏蔽栅极 PowerTrench MOSFET 是不错的选择。　　商业和企业场所以及具有更大功率需求的家庭采用标准的三相电源。在三相应用中，电源开关必须能够承受所需的工作电压和电流，以提供高达 15 kW 的输出功率，而且还要能够承受高于住宅装置所用的直流链路电压(高达 1000 V)。为此，可以使用 1200 V 器件，例如采用三级对称降压-升压拓扑结构。　　商用BESS　　商用储能系统的输入和输出功率范围通常在 100 kW 至 2 MW 之间。这些大型装置可能由若干个三相子系统组成，功率范围从几十千瓦到超过 100 kW 不等。标准商用太阳能逆变器的直流母线电压通常为 1100 V，但在公用事业规模系统中可能高达 1500 V。　　商用 BESS 中更常用的是交流耦合系统，因为它们可以轻松添加到现有设计中。此外，集中式储能单元更易于安装和维护。相比之下，直流耦合系统采用的分布式电池组则需要更大的空间和更高的维护成本。
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发布时间：2023-07-26 09:48 阅读量：2521 继续阅读>>
尼得科<span style='color:red'>电池储能系统</span>是推进碳中和
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尼得科电池储能系统是推进碳中和

　　2023年6月5日是联合国大会设立世界环境日的50周年.今年世界环境日的主题为“建设人与自然和谐共生的现代化”。　　随着人口增长和经济发展的加速，全球对自然能源的需求不断增加。为了在实现和谐共生的同时满足日益增长的能源需求，为自然“减负”显得尤为重要。而电化学储能技术可以有效降低系统成本高达约30%以上，作为一种提高新能源的利用效率和可靠性的重要解决方案而受到广泛关注。　　而尼得科的电池储能技术，也属于电化学储能的一种，通过创新储能方案有效实现“碳中和”，从而实现能源的高效利用和可持续发展。　　想象一下，出门在外手机没电的话，充电宝能为我们及时充电。尼得科的电池储能系统BESS就像一个“大型充电宝”，有助于改善能量传输链各个阶段的能量流动。　　构成　　电池储能系统单元由电池、电源和能源管理系统、基于有源前端逆变器技术的电源转换系统（PCS）以及变压器、冷却系统和电路保护装置构成。　　根据性能要求，可以使用不同的电池技术将电池配置成高达几兆瓦的模块应用于各种应用场景。基于成熟的工业技术，NIDEC提供强大的模块化解决方案，可很大程度地减少安装和维护时间，延长系统寿命并提高安全性。　　储能系统的应用场景主要分为以下五个场景：　　除此以外，也在发电厂、变电站、配电室、独立储能电站等多个应用场景使用。　　传统的储能系统，如存储太阳能、风能时会受到自然环境的制约，且电力大小无法调节。而尼得科的储能系统，可以及时进行削峰、移峰，在电网变动下快速响应。　　尼得科的储能系统配备的电池管理系统，使用主动均衡策略，主动均衡电流高达5A;电池高级SOC估算精度小于5 %。　　尼得科的电池储能安全性高，有着高水平的管理系统，开发出优质的算法，使我们的电力和能源管理系统(EMS)更出色，在迄今为止交付的产品中，我们始终保持“0”事故的安全记录。　　我们的系统使用的电源转换系统和电源管理系统，完全由内部制造而成，提供了真正的集成解决方案。
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发布时间：2023-06-06 11:43 阅读量：1889 继续阅读>>

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