為什么在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲能變流器（Power Conversion System）英文簡稱PCS，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網情況下可以直接為交流負荷供電。 儲能變流器PCS由DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。 根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節。PCS儲能變流器，全稱Power Conversion System，是儲能系統中的關鍵設備，用于實現儲能電池與電網之間的能量轉換和雙向流動。它能夠將直流電轉換為交流電或將交流電轉換為直流電，以滿足電網對儲能系統的充放電需求。PCS儲能變流器在儲能系統中扮演著“橋梁”的角色，連接著儲能電池和電網，確保儲能系統的高效、穩定運行。

 

PCS儲能變流器的應用場景

 

1.能量時移：在用戶側儲能系統中，PCS儲能變流器可以用于能量時移，將白天時段內光伏多余的發電量儲存起來，在晚上或者陰雨天氣無光伏發電量的時段內再通過PCS釋放出來，可以實現光伏發電的最大化自發自用。

 

2.峰谷套利：在用戶側儲能系統中，尤其是執行分時電價的工商業園區，PCS儲能變流器可用于進行峰谷套利，通過在電價低廉的時間段進行充電，在電價高昂的時間段進行放電，實現低充高放進行套利，達到節省園區整體用電成本的目的。

 

3.動態擴容：在電力容量受限的場景，類似電動汽車充電站場景，通過PCS儲能變流器配置儲能電池來進行動態擴容，充電高峰時候，PCS儲能變流器進行放電，提供額外的功率支持；充電低峰時，PCS儲能變流器進行充電，儲存低價的電能進行備用，既能實現峰谷套利，又能給充電場站進行動態擴容。

 

4. 微電網系統：在微電網系統中，PCS儲能變流器能夠實現分布式電源與儲能系統的協調控制，提高微電網的穩定性和供電質量。通過PCS儲能變流器的精確功率控制和智能能量管理，可以實現微電網系統中電源和負荷的平衡和優化調度。

 

5. 電力系統調頻調峰：在電力系統中，PCS儲能變流器可以用于調頻調峰，提高電網的穩定性和可靠性。當電網負荷高峰時，PCS儲能變流器可以釋放儲能電池中的能量，為電網提供額外的功率支持；當電網負荷低谷時，PCS儲能變流器則可以吸收電網中的多余能量，為儲能電池充電，以備后用。

 

PCS儲能變流器的發展趨勢

 

目前在大型儲能電站中普遍采用集中式PCS,一臺大功率PCS同時控制多簇并聯的電池，電池簇間的不均衡問題得不到有效的處理；而組串式PCS，一臺中小功率的PCS只控制一簇電池，實現一簇一管理，有效規避電池簇間的木桶效應，提升系統壽命，提高全壽命周期放電容量，組串式PCS規模化應用趨勢已見雛形，在工商業儲能一體柜中組串式PCS已成為行業主流方案，未來在大型儲能電站中也將實現大規模化應用。

 

隨著新能源和智能電網的快速發展以及儲能技術的不斷進步，PCS儲能變流器將面臨更大的發展機遇和挑戰。未來，PCS儲能變流器將朝著更高效、更智能、更靈活的方向發展。

 

IGBT模塊在十幾 kHz開關頻率中就會表現出嚴重的局限性，由于IGBT模塊尾電流導致損耗較大。使用 SiC-MOSFET模塊，開關頻率增加，從而減小了濾波器體積。SiC 模塊允許在數十和數百 kHz 的頻率下運行，開關損耗相對較低，從而顯著減少了濾波器和散熱熱系統的體積。這些技術進步使變流器總體積大幅度減少，效率提高，從而能夠在較低溫度下運行并可能延長組件的使用壽命。

為了滿足PCS儲能變流器更高效的需求，使用基本公司碳化硅SiC模塊全面取代IGBT模塊，可以提升系統效率1%，有效提升客戶在PCS生命周期里的收益。SiC模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲能變流器開關損耗降低高達 70% 至 80%，在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲能變流器（PCS）包括整流器和逆變器，決定著輸出電能的質量與特征。并網模式下，在負荷低谷時，儲能變流器把電網中的交流電整流成直流電給電池組充電；在負荷高峰時，儲能變流器把電池組中的直流電逆變成交流電反送到電網中。因此，在新能源規模化并網的背景下，逆變器的控制技術是構網型儲能的關鍵所在。

跟網型（Grid  Following）控制技術和構網型（Grid Forming）控制技術。當前，并網儲能逆變器通常采用跟網型控制技術。

 

構網型變流器技術應運而生，其原理是通過模擬同步發電機特性來提升系統支撐能力。它分為電網跟蹤型和電網構造型，構網型變流器通過特定控制方式將變流器端口特性塑造為類似同步發電機特性，具備頻率響應、電壓調節和過載能力等特點，其直流側能量來源多樣，拓撲結構復雜，包括模塊化多電平、兩/三電平，主接線方式有角接拓撲和直流拓撲，接入系統方式分為高壓直掛和低壓升壓后接入，儲能接入方式也有多種。

 

跟網型儲能的應用主要集中在通過最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術向電網注入有功功率。因此，無功電源是很小的，往往接近于零。從整體循環效率的角度來看，跟網型儲能更有吸引力。而構網型儲能的主要優勢之一是調節電網的電壓和頻率，為了實現這一目標，構網型儲能中的有功功率和無功功率參考值不斷變化。

 

從控制的角度來看，跟網型儲能的行為可以近似為具有并聯高阻抗的受控電流源。與跟網型儲能相比，構網型儲能可以近似為具有低串聯阻抗的電壓源。跟網型儲能和構網型儲能控制的另一個主要區別是，構網型儲能可以在沒有電網連接的情況下建立自己的參考電壓和頻率，具有和同步發電機類似的運行特性。因此，構網型儲能理論上可以在完全(100%)電力電子設備系統中運行，可適用于弱電網和孤島，而跟網型儲能比較適用于具有強電網支撐的應用場景。由于開關設備的電流限制，構網型儲能的電力電子設備容量通常是很大，以滿足故障電流通流要求，構網型儲能的電力電子設備PCS中SiC模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲能變流器開關損耗降低高達 70% 至 80%，在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

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構網型儲能系統本質上是電壓源，它能夠自主設定電壓參數，輸出穩定的電壓與頻率，提升變流器的電壓、頻率支撐能力，增強電力系統的穩定性。在頻率和慣量支撐方面，構網型儲能系統通過控制釋放直流側儲能能量，等效為同步機慣量機械能或阻尼能量，進而提供慣量響應與振蕩抑制。

 

構網型儲能系統由構網型變流器、升壓變壓器和電力線路組成。系統容量的變化會直接影響構網型變流器、升壓變壓器和電力線路的等效阻抗。因此，不能簡單地將構網型儲能視為理想電壓源。

 

在電壓支撐方面，構網型儲能系統通過功率同步控制機制，將儲能變流器塑造成電壓源外特性，可在不依賴外界交流系統的情況下，自行構建交流側電壓幅值與相位，為電力系統提供強大的電壓支撐。因此，構網型儲能系統則更適合于可再生能源接入比例高的地區。

 

Grid-Forming構網型儲能技術可提高系統強度、增加短路比，從而實現彈性電力系統，實現更高水平的可再生能源發電和可靠的能源運輸。Grid-Forming構網型儲能系統進一步穩固了電網電壓波形和高電能質量，同時減輕了區域間或局部電網波動。

 

 

 

構網型儲能技術通過超配PCS方式提高過載能力構建起支撐大電網穩定運行的電壓源，可以起到快速調頻調壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強電力系統穩定性。

 

區別于傳統跟網型儲能，構網型儲能能夠主動識別電網情況，更精細主動地平抑電網波動。

 

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IGBT芯片技術不斷發展，但是從一代芯片到下一代芯片獲得的改進幅度越來越小。這表明IGBT每一代新芯片都越來越接近材料本身的物理極限。SiC MOSFET寬禁帶半導體提供了實現半導體總功率損耗的顯著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低開關損耗，從而提高開關頻率。進一步的，可以優化濾波器組件，相應的損耗會下降，從而全面減少系統損耗。通過采用低電感SiC MOSFET功率模塊，與同樣封裝的Si IGBT模塊相比，功率損耗可以降低約70%左右，可以將開關頻率提5倍（實現顯著的濾波器優化），同時保持最高結溫低于最大規定值。

 

未來隨著設備和工藝能力的推進，更小的元胞尺寸、更低的比導通電阻、更低的開關損耗、更好的柵氧保護是SiC碳化硅MOSFET技術的主要發展方向，體現在應用端上則是更好的性能和更高的可靠性。

為此，BASiC™國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™研發推出更高性能的第三代碳化硅MOSFET，該系列產品進一步優化鈍化層，提升可靠性，相比上一代產品擁有更低比導通電阻、器件開關損耗，以及更高可靠性等優越性能，可助力光伏儲能、新能源汽車、直流快充、工業電源、通信電源、伺服驅動、APF/SVG、熱泵驅動、工業變頻器、逆變焊機、四象限工業變頻器等行業實現更為出色的能源效率和應用可靠性。

 

為滿足光伏儲能領域高電壓、大功率的應用需求，BASiC™基半股份國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于第二代SiC MOSFET技術平臺開發推出了2000V 24mΩ、1700V 600mΩ高壓系列碳化硅MOSFET，產品具有低導通電阻、低導通損耗、低開關損耗、支持更高開關頻率運行等特點。

針對新能源汽車的應用需求，BASiC™基半股份國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™研發推出符合AEC-Q101認證和PPAP要求的1200V 80mΩ和40mΩ 的碳化硅MOSFET，可主要應用在車載充電機及汽車空調壓縮機驅動中。

B3M040120Z是BASiC™基半股份國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于第三代碳化硅MOSFET技術平臺開發的最新產品，該系列產品進一步優化鈍化層，提升可靠性，相對于上一代產品在比導通電阻、開關損耗以及可靠性方面有更進一步提升。

 

相較于傳統封裝形式，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊單位半導體的通流能力可以提升約40%，或者同樣電流輸出使用的半導體用量減少1/3。同樣功率輸出條件下，功率模塊物料成本有望降低20%。PCB布局設計相對于傳統封裝設計更加靈活，大大加快了工程開發的迭代速度和客戶交付速度。受到封裝限制而難以在傳統逆變器中實現的高級電路拓撲，如三電平、IGBT/SiC MOSFET混并等方案，都可以借助BASiC™基半股份PCB嵌入式封裝高度靈活性的優勢而加速了產業化落地。

根據技術和商業評估，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊是一項非常有前景的封裝技術，有望在在單位功率成本、功率密度、產品交付和迭代速度等方面遠遠超越傳統封裝，成為未來電力電子應用的新方向。

 

BMF240R12E2G3是BASiC™基半股份國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于PcoreTM2 E2B封裝的1200V 5.5mΩ工業級全碳化硅半橋功率模塊，產品采用集成的NTC溫度傳感器、Press-Fit壓接技術以及高封裝可靠性的氮化硅AMB陶瓷基板，在導通電阻、開關損耗、抗誤導通、抗雙極性退化等方面表現出色。

B2M040120T和B2M080120T是BASiC™基半股份國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于第二代碳化硅MOSFET技術開發的頂部散熱內絕緣的塑封半橋模塊，主要應用于OBC、空調壓縮機和工業電源中。

BASiC™國產SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™推出可支持米勒鉗位的雙通道隔離驅動芯片BTD25350系列，此驅動芯片專為碳化硅MOSFET門極驅動設計，可高效可靠抑制碳化硅MOSFET的誤開通，還可用于驅動MOSFET、IGBT等功率器件。

 

 

為了保持電力電子系統競爭優勢，同時也為了使最終用戶獲得經濟效益，一定程度的效率和緊湊性成為每一種電力電子應用功率轉換應用的優勢所在。隨著IGBT技術到達發展瓶頸，加上SiC MOSFET絕對成本持續下降，使用SiC MOSFET替代升級IGBT已經成為各類型電力電子應用的主流趨勢。