浅析高能效储能系统的多级转换器拓扑

什么是储能系统？

能量存储是收集产生的能量，以供以后存储和使用。电池储能系统用于创建独立于公用事业的太阳能家庭或企业（称为住宅或商业ESS），被称为“电表背后”。相反，公用事业规模的ESS被称为“电表之前”，用于在需求量大的时期补充发电量。两种情况都利用采用不同架构，拓扑和功率半导体技术的双向功率转换器。

住宅太阳能装置中的ESS

住宅太阳能系统通过逆变器与公用电网相连，逆变器可在日照时间将太阳能电池板的功率转换为交流电。多余的电力可以卖给公用事业公司，但是在黑暗的时刻，最终用户仍必须依靠公用事业来提供电力。公用事业公司已经能够通过调整其定价模型来利用这些限制，从而将住宅用户转移到“使用时间”费率，从而在没有太阳能可用时收取更多的费用。将ESS添加到系统中，使用户可以通过所谓的“峰值剃须”来解决此问题并保护自己免受高昂的能源成本，将太阳能电池板收集的电量存储在电池中，以随时满足其电力需求。

电池技术的发展导致了锂离子（Li-ion）电池组的生产，其单位质量和单位体积的电荷存储量比旧技术的铅酸电池要高得多。结合有效的双向电源转换系统，它们可以用于创建3至12千瓦范围内的紧凑型壁挂式ESS装置，能够为房屋提供24小时或更长时间的供电。但是，尽管锂离子电池具有能量密度方面的优势，但它们仍具有一些缺点，特别是在安全性方面，包括过热或在高压下损坏的趋势。需要使用安全机制来限制电压和内部压力。由于老化，存储容量也会下降，从而导致在运行数年后最终出现故障。因此，

与太阳能逆变器不同，ESS必须在两种需要双向转换的不同模式下运行：

充电模式，当电池正在充电时

备用模式，当电池为连接的负载供电时。

结合太阳能电池板的住宅ESS分为DC或AC耦合系统。在直流耦合系统中，单个混合逆变器在公共直流总线上结合了双向电池转换器和DC-DC太阳能MPPT级的输出，然后为并网逆变器级供电。但是，交流耦合系统（有时称为“交流电池”）变得越来越流行，因为这种类型的ESS可以很容易地改装到原来没有配备储能装置的现有太阳能设备中，因为交流耦合ESS直接与太阳能电池相连。网格。另一个优势是能够轻松并行提供更大的电源能力和存储容量。

住宅ESS电源转换器架构

图1：住宅储能系统的基本框图

上图概述了基于48V锂离子电池组的交流耦合系统。整个系统通常安装在壁挂式机箱中。电池组包括一个集成的电子电池管理系统（BMS），用于管理单个电池的充电状态（SOC），这些电池的额定状态通常为标称的3.2V。通过防止在过度充电或充电不足的状态下运行，电池劣化得以最小化。BMS包含专门的控制IC和基于沟槽技术的低压MOSFET开关，例如英飞凌的OptiMOS TM或StrongIRFET™系列，通常在80至100V的范围内。

在此示例中，功率转换系统分为三个阶段，每个阶段都基于有源功率开关而不是二极管来支持双向功率转换。有几种可能的拓扑，其中许多是基本H桥的变体。下图显示了结合两个并行功率转换级以共享功率传输的拓扑：

图2：住宅ESS的可能的转换器拓扑

阶段1：第一阶段将电池电压（通常为48 V）转换为高频AC，以通过变压器升压。在此示例中，选择了一个谐振拓扑以在备用模式下以零电压开关工作，以通过尽可能避免开关损耗来最大程度地提高效率。在充电模式下，该级用作同步整流器。

该级在低电压和高电流下切换，非常适合具有非常低R DS（ON）的60 V沟槽MOSFET器件，例如Infineon的OptiMOS TM系列。这样的设备可以并联连接。具有出色散热能力和极低寄生封装电感的封装（例如DirectFET TM）是理想的选择。

阶段2：第二阶段在高电压和相对低的电流下运行，当ESS在备用模式下供电时执行同步整流功能，并在充电模式下将高压DC转换为高频AC以通过变压器降压。

由于总线电压通常在400至500 V之间，因此此阶段将需要600-650 V的开关，这些开关能够以尽可能低的开关和传导损耗在高频下开关。宽带隙碳化硅（SiC）沟槽MOSFET具有比硅超结（SJ）器件更高的优势，这使得在几千瓦及以上的功率水平下实现更高的转换效率成为可能。较高的临界击穿场允许维持给定的电压额定值，同时减小了器件的厚度，从而降低了导通电阻。

英飞凌CoolSiC ™ MOSFET 650 V产品系列提供的R DS（on）低至27mΩ。较高的热导率对应较高的电流密度，而较宽的带隙导致高温下的泄漏电流较低。从25°C到100°C的R DS（on）乘积系数对于CoolMOS ™为1.67，对于CoolSiC ™为1.13 。这意味着，为了具有相同的导通损耗（