电池储能系统的应用与解决方案

能源存储系统（ESS）在建设低碳世界中发挥着关键作用，并且是增长最快的工业应用之一。推动该增长的多个因素包括各国与减碳目标一致的积极政策，对太阳能等可再生能源存储和控制需求的不断增长，以及锂离子电池成本的持续下降。本文介绍了ESS的架构以及onsemi提供的产品和解决方案。

ESS 是一种被广泛研究的应用，它们通过电化学储能（电池）、机械储能（压缩空气）和热储能（熔融盐）等方法存储能源。本文将重点介绍与太阳能逆变器系统连接的电池储能系统。

电池储能系统（BESS）广泛应用于住宅和商业领域。在住宅应用中，BESS 可以作为备用电源，防止意外停电，并通过将能量从低价值时段转移到高价值时段来节省成本。在较大的商业系统中，BESS 可以高效储存和管理太阳能逆变器产生的免费清洁能源，实现低碳排放。如今 BESS 的另一个关键功能是能够缓解由于电动车充电需求增加而对电网造成的压力。

BESS由四部分组成：电池组、电池管理系统（BMS）、电力转换系统（PCS）和能源管理系统（EMS），适合商业和住宅应用。电池组由电池单元组成，高压模块集成到机架或电池组中以实现更高容量。通常，充电和放电电压范围为50V至1100V，具体取决于电池电压和电路拓扑。BMS是一个电子系统，通过确保电池在安全运行区（SOA）内运行、监控运行状态并计算和报告实时数据来管理可充电电池，以实现更长的运行寿命。PCS是另一个重要的子系统，将电池组连接到电网和/或负载以进行双向能源转换。它在很大程度上决定了系统的成本、尺寸和性能。EMS是一个基于软件的计算机辅助系统，由电网运营商用于监控、控制和优化发电或传输系统的性能。

与IGBT相比，SiC器件在高电压、高电流应用中具有更多优势，例如能够实现高频开关。虽然IGBT仍然是BESS设计的首选，但在某些部分结合使用SiC器件，可以在不同的开关策略下实现出色性能。例如，在使用A-NPC的双向逆变器中，由于专用开关策略要求内侧开关具有高开关频率，可选择内侧使用SiC器件以减少开关损耗，而其他开关仍可使用低VCE_(SAT) IGBT，以控制成本。

三电平 I-NPC 和三电平 ANPC 是 PCS 中常见的双向拓扑结构，旨在满足日益增长的输出功率需求。与二电平拓扑结构相比，三电平拓扑结构需要更多的组件、驱动信号以及更复杂的控制结构。然而，其优势显而易见：三电平配置的目标是通过降低一半的施加电压来减少功率损耗和电流波动，并改善 EMI 性能。

NXH800H120L7QDSG 是 onsemi 最新的 QDual3 1200 V 800 A 半桥 IGBT 功率模块。集成的 Field Stop Trench 7 IGBT 和第七代二极管具有更低的导通和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和卓越的可靠性。通过并联多个 QDual3 模块，可以形成三电平 ANPC 模块，系统输出功率可达 1.6 MW 至 1.8 MW。

DESAT（饱和电压保护）是高功率转换中的重要保护功能之一。它能够通过尽快关闭开关来防止 IGBT/MOSFET 因短路而受到损坏。NCD57000 集成了饱和电压检测功能，当 V_CESAT 达到目标值时，内部的 STO（软关闭）MOSFET 会启动，放电栅极电容，从而降低由于高 dV/dt 导致的过电压应力和损耗。此外，这款单通道栅极驱动器具备高源/汲电流（4 A/6 A）、5 kVrms 电气隔离，以及其他保护功能如 UVLO 和主动米勒钳位。

以下是onsemi用于电池储能系统应用的一些关键产品。首先，辅助电源通常采用QR（准谐振）反激拓扑设计，并具有原边调节功能。NCP1362是一款用于低功率离线开关电源的原边PWM控制器。使用NCP1362的主要优点是无需光耦反馈，从而提高了电源的可靠性。此外，它还能在低VDS下关闭开关以提高效率并减少热量。NCP1362是一款原边QR反激控制器，无需次级反馈电路，并能够实现谷值锁定QR峰值电流模式控制，优化了轻载效率和待机性能。

分布式储能系统可能包括数百个PCS和控制单元。现代指挥中心需要更复杂的连接解决方案来满足不断增长的节点和计算需求。onsemi的NCN26010是市场上首批符合802.3cg标准的控制器之一。它提供卓越的抗噪性能，超过IEEE 802.3cg中的抗噪标准，具有超过50米的范围，并减少高达70%的所需电缆，降低安装成本高达80%，同时降低软件维护成本。

EliteSiC 1200 V MOSFET 是一款新的 1200 V M3S 平面 SiC MOSFET 系列，针对高温操作进行了优化，并改进了寄生电容以支持高频操作。在 V_GS = 18 V 时，R_DS(ON) = 22 mΩ，具有超低栅电荷 (Q_G(TOT)) = 137 nC。它具有高速开关、低电容 (C_OSS = 146 pF) 的特点，并采用带 Kelvin Source 的四引脚封装。

Field Stop VII 1200 V IGBT 是一款全新系列的1200 V Trench Field Stop VII IGBT，采用窄嵴沟槽设计和质子注入多层缓冲区，提供快速切换和低V_CE(SAT) 类型。它提升了寄生电容性能，适用于高频操作，并具有通用封装设计。其目标应用包括能源基础设施和工厂自动化。

Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG 具有高效能和可控性，采用 Field Stop Trench 7 IGBT 和第七代二极管。它支持 1200 V、800 A 的 2 合 1 半桥配置，与领先的竞争产品相比，提供了 10% 更高的功率密度和 10% 更低的能量损耗。此外，它还具有低热阻、隔离的底板、NTC 热敏电阻、可焊接引脚以及按需的压入式引脚，并带有低电感布局。

在选择栅极驱动器时，必须考虑诸如电流驱动能力、故障检测、抗噪声能力、传播延迟、兼容性等因素。然而，这些因素对于每种应用来说可能并不具有同等的重要性。例如，与IGBT不同，SiC MOSFET的输出特性更类似于可变电阻，并且缺少饱和区，这意味着常规的去饱和检测原理无法奏效。一种解决方案是使用电流传感器检测过电流或者使用温度传感器检测异常温度。

NCP51561是一款双通道隔离栅极驱动器，具有4.5A/9A源/汇峰值电流。其典型传播延迟为36 ns，最大延迟匹配为5 ns，并通过ANB支持单输入或双输入模式。它支持5 kV的电气隔离，且具有≥ 200 kV/μs的CMTI。采用SOIC-16WB封装，爬电距离为8mm。

NCD57080 / NCD57090 是单通道隔离栅极驱动器，具有 6.5A 的源/灌峰值电流。它们提供分输出有源 Miller 箝位或负偏置版本，支持 3.3V、5V 和 15V 逻辑输入，并提供 3.5 kV 的电气隔离。它们的 CMTI ≥ 100 kV/μs。NCD57080 采用 SOIC-8 封装，爬电距离为 4mm，而 NCD57090 采用 SOIC-8WB 封装，爬电距离为 8mm。

NCD57100 是一款单通道隔离栅极驱动器，具有 7A 源/汇峰值电流、欠压锁定 (UVLO) 和失调保护 (DESAT)。它支持宽偏置电压范围，包括负 VEE，并兼容 3.3V、5V 和 15V 的逻辑输入。该驱动器还提供 3.5 kV 的电气绝缘隔离，并具有 ≥ 100 kV/μs 的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。驱动器采用 SOIC-16WB 封装，爬电距离为 8mm。

在双向AC-DC转换器的常见拓扑结构中，三相全桥转换器具有电路简单、易于控制和元件数量少的特点。然而，开关必须承受全总线电压和尖峰，并需要高容量的变压器，这会增加成本和终端系统的尺寸。为了减少总谐波失真（THD）和电感器尺寸，优先选择宽带隙元件。

单/三相图腾柱转换器可以提高效率、降低EMI和THD，并减少每个周期的开关事件数量。它具有较少的开关和更高的功率密度，但需要宽禁带元件来最小化恢复损耗。它还表现出零交越点噪声和共模噪声。

三相三电平转换器采用三电平配置，可降低某些开关的总谐波失真（THD）和电压压力。尽管需要更多的栅极驱动和更复杂的控制，但它提供了更高的效率和成本，并且在太阳能逆变器设计中已被证明是一种有效的配置。

在常见的双向DC-DC拓扑中，降压升压转换器可扩展充放电电压范围，以提高电池利用率。它能够在充电和放电过程中实现双向功率转换，并且组件较少且易于控制。组件的选择可能取决于电池电压。

双有源桥式转换器可以通过移相调制在高负载情况下实现零电压开关 (ZVS)。两个阶段的不匹配电流可能会导致意外损耗。为了实现预期的效率，移相、变压器和频率需要复杂的设计。在高频/高电压操作中，宽禁带元件是首选，因为它们可以减少输出电流纹波，从而最小化输出电容的尺寸。这是高功率应用的首选，支持隔离转换以确保安全。

CLLC谐振转换器可通过在LLC基础上添加一个电容实现双向转换。通过复杂的频率调制和被动选择，它在双向转换中都能实现高效率。需要额外的DC-DC转换以实现宽幅输出范围，从而保证良好的效率。它在整个负载范围内的效率优于DAB，并支持隔离转换以确保安全性。

onsemi 提供针对电池储能系统的完整产品线，包括双向 AC-DC 和双向 DC-DC 转换器、隔离栅极驱动器、功率管理、信号调节与控制、逻辑与存储器、接口等，满足客户的一站式采购需求。

电池储能系统在现代能源结构中发挥着关键作用。它们不仅能够有效提升可再生能源的利用效率，还为电网稳定性和电力灵活性提供可靠支持。随着技术的不断创新，储能系统的安全性、寿命和成本效益持续提升，推动了其在住宅、商业、工业及大规模电力基础设施中的广泛应用。onsemi 提供设计电池储能系统所需的全套产品线，这将加速相关应用产品的设计速度，帮助抓住市场机遇。