PCIM2025论文摘要 | 针对储能系统应用(ESS)的优化驱动器设计策略

 

*本论文摘要由PCIM官方授权发布

 

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简介

 

本文介绍了一种用于储能系统（ESS）的自适应驱动器优化策略，以应对过载可靠性和运行效率方面的挑战。通过根据实时负载条件动态调整栅极电阻（Rgon/Rgoff），该策略在正常运行期间实现了开关损耗最小化，同时在过载条件下（额定电流的1.5至3倍）抑制了电压应力并提高了可靠性。所提出的方法已在215kW的基于SiC的储能系统解决方案上进行了验证，证明了其在可再生能源并网应用中提高系统性能和可扩展性的潜力。

 

2

储能PCS的过载需求--为何提出？

 

传统的储能过载需求为1.1、1.2，而在电网配置的储能系统中，PCS变流器的过载需求为1.5、2甚至3倍，过载对应的电流需求更高，相当于短期过载条件下的输出电流需求。

 

 

2.1

IGBT电流和电压应力之间的关系

 

 

2.2

IGBT/SiC开关电阻选择的关系

 

Rgoff取决于关断电压应力

Rgon取决于二极管开通电压应力

 

3

   段控制策略   

 

3.1

储能系统中功率器件过载的挑战

 

过载条件下，由于时间很短，瞬时过流非常严重，主要瓶颈有两个方面，（1）大电流下的设备开关应力，（2）大电流下的设备过热问题。

 

3.2

储能系统过载

 

 

由于系统只有在极少数运行条件下才需要过载需求，如果因为极少数运行条件而牺牲正常运行条件下的效率，将造成极大的浪费。因此，可以考虑将此类工况的需求与过载工况分开处理。

 

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215kW储能系统的碳化硅解决方案

 

在本研究中，英飞凌的碳化硅混合模块 F3L3MR12W3M1H_H11（如图2所示）被用作核心功率器件，为215kW储能系统构建了一个高效解决方案。该模块采用有源中性点箝位（ANPC）拓扑结构，带有两个高速SiC开关（T2/T3）和四个低速硅IGBT。这种配置大大降低了开关损耗，同时提高了系统的整体效率。

 

 

5

实施分段驱动控制策略

 

5.1

基于2L-SRC驱动芯片的实现

 

采用英飞凌的2L-SRC紧凑型(1ED32xx)系列驱动芯片

 

 

5.2

性能验证

 

本研究以215千瓦储能系统为例，该系统需要1.5倍的过载能力，以满足并网条件下的瞬时大电流需求。传统的驱动器设计通常采用较大的固定导通和关断电阻，以确保过载条件下的系统可靠性。然而，这种方法大大增加了正常运行时的开关和传导损耗，导致效率降低和热应力增大，从而降低了系统的整体性能。

 

本文提出的分段驱动器策略可实时动态调整驱动器参数，有效满足过载需求，同时提高正常运行条件下的效率和可靠性。分段驱动器策略示意图如下图所示。

 

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结论

 

本文主要分析了一种在变流器设计中根据输出电流大小设置开关参数的方法，分析了其带来的价值，以及在几个具体方面的优势和改进，相应的系统实现，最后以英飞凌可为系统实现提供的一种驱动芯片为例，结合实际案例进行了系统分析，进一步证明了分段驱动在储能逆变器系统中带来的价值及其独特价值。