光耦器件在家用储能系统中的应用

电子发烧友网报道（文/李宁远）新能源与储能，一个当下火热的领域，在实现“碳中和”的发展浪潮下，新能源与储能成为了现今最重要的几个发展方向之一。新能源需要使用能量转换设备将太阳能、风能、热能或水的势能转换成电能，然后将电能传送到每个终端。储能系统则将不规则、间歇性生产电力的风力发电、光伏发电系统产生的电力存储起来，以充电放电的方式，稳定新能源和可再生能源的输出。
 
典型光伏逆变器中的光耦应用
 
大功率集中式发电场所典型的并网光伏逆变器系统，由光伏串组合器、DC/DC、DC/AC逆变器以及现场总线通信这几大部分构成。
 

光伏逆变器系统，Broadcom

 
在这样一个很复杂的应用场景里，光耦在有很多地方都有应用。比如用于监控光伏串组合器中的光伏阵列、用于测量DC/AC逆变器总线电压的电压传感器上，用于监控绝缘电阻的电压传感＋光电MOS上，用于光伏串组合器和逆变器中的电流传感，以及DC/DC和DC/AC转换器中的栅极驱动光耦以及现场总线通信中的数字光耦。
 
集成光伏发电的家用ESS光耦使用有哪些要求
 
储能系统是一种在需求低时存储电能并在需求高时输出所存储电能的装置，它提高了发电厂的能效并稳定了电网运行。将可再生能源整合到电网中推动了ESS的市场进展。储能系统有很多种方案，其中一种是利用电池组形式将能源储存起来，这种系统主要组成部分有电池板阵列、充电控制器、双向逆变器、智能电表、电网、电池组。
 
光伏发电与电池ESS系统的结合是目前家用ESS常见的配置，主电源来自电网，可再生能源由光伏板到电池和逆变器再到交流负载，如果PV功率不足，从电网补充功率，当电网供电不足时，从光伏面板获取电能，并以电池组电能作为补充。和典型并网光伏逆变器中的光耦应用有些类似，这种ESS系统里有不少光耦的应用，选用光耦主要是相对于数字隔离里的容耦和磁耦，光耦最大的优势在于它能够提供加强型绝缘，对于EMI或者CMR的噪声也比较小。
 
ESS DC/DC级以及逆变器是光耦需求较大的应用环节，其中栅极驱动、电流感测、数字通信对光耦的需求不一。
 

ESS系统电池充电器中的光耦，Broadcom
 

栅极驱动应用里会首先会要求光耦轨到轨的输出，为了实现快速可靠的栅极驱动更高的输出峰值电流要求是少不了的，更低的传播延迟以及更高的频率则对于快速切换至关重要，为了防止在嘈杂的环境中误驱动，CMTI要尽可能得高（起码100kV/µs以上），更低的ICC则有利于实现低功耗和自举操作。主动的米勒钳位对于光耦器件也是很加分的一个地方，尤其在光伏逆变器这种大功率应用里，开关在某些不能承受负栅极电压的时候，主动的米勒钳位功能可确保其保持截止。
 
电流/电压感测里光耦关键特性在于增益精度、带宽以及线性度。从行业领先的光耦厂商博通目前做到的参数来看，增益精度已经可以做到±0.5%，带宽达到200KHz，以及1.6us的快速响应检测。CMTI当然越高越好，防止在嘈杂环境中错误感测。
 
在数字通信里，首先看得是速度，从技术角度来说数字光耦能做到的高速上限肯定是不可能和磁耦技术相比的。上面也提到过，光耦最大的优势在于它能够提供加强型绝缘，在增强型的隔离下数字光耦的速度也在尽可能提升，从1MBd到5MBd、8MBd、10MBd、20MBd到50MBd，数字光耦已经将速度提升了不少。数字光耦另一个优势或者说技巧在于可以采用直接驱动，在LED前端放置电阻，通过配置电阻阻值分配能够对CMTI进行优化。
 
小结
 
光耦可以提供精确信号隔离以及安全可靠的加强型电气绝缘性能，在这些能源转换及储能设备中有着重要的应用，不管是其中功率器件的门极驱动，电流及电压检测还是IPM接口、数字信号隔离等等。光耦对整个家用ESS储能系统的保护，防漏电及滤波作用大大提高了储能系统的安全性。