能源设备中的能量转换核芯

来源:电子发烧友网发布时间:2023-06-021233浏览

电子发烧友网报道（文/李宁远）绿色能源在近几年受到了广泛关注，相关市场实现了创纪录的增长。根据相关统计，截至2022年底，全国可再生能源装机已突破12亿千瓦，2022年可再生能源发电量达到2.7万亿千瓦时，占全社会用电量的31.6%，较2021年提高1.7个百分点，可再生能源在保障能源供应方面发挥的作用越来越明显。

在实现绿色能源的能量转换过程中，光伏逆变器，储能变流器，充电桩等成为关键设备在转换过程中发挥着不可替代的作用，用于其中的相关器件也随需求上涨受到了广泛关注。

光伏逆变转换核“芯”

一般来说，光伏逆变器主要由输入滤波电路、DC/DC MPPT电路、DC/AC逆变电路、输出滤波电路、核心控制单元电路组成。在一个典型的太阳能逆变器中，在光伏逆变器主功率部分，太阳能面板会装在一个电动支架上面，通过电机驱动带动面板转动来获得最合适的光照角度。然后紧接着接入到一个最大功率点跟踪电路，然后紧接实现DCAC的转换，然后将其扩入到电网中。还会有辅助电路，从电网直接取电，然后是经过ACDC，然后再通过DCDC转换成一个控制板可以使用的电压。
作为交直流转换设备，实现转换的核心器件是功率半导体，也就是IGBT、MOSFET、SiC、GaN这些耳熟能详的功率半导体。
在光伏储能领域，因为这些应用里的电压等级都非常高，电流传感芯片也是很重要的一类器件。光伏逆变中的电流检测必须在高电压隔离下进行，而且传感需要提供足够快速的保护，确保系统对安全工作区外的事件做出迅速响应，避免损坏半导体和其他敏感器件。很典型的逆变器电流检测部分，对电流检测的要求都是需要有高隔离电压等级，还能实现高边电流采样并快速关断。
光伏逆变自然少不了主控MCU的协助，为DCDC和DCAC中的电源开关准确生成PWM、提供逆变电路的过温、过压、欠压等监控保护功能、各种智能化控制功能等等都需要MCU来统一管理。
此外，电容、电阻、电感等磁性元件在光伏逆变器中也有大量的应用，并在相当大的程度上影响着逆变性能。

储能变流器中的关键器件

储能变流器，一种可以控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电的设备。储能变流器由DCAC双向变流器、控制单元等构成，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。
严格来说，光伏逆变器是储能变流器的一个类别。因此二者在核心器件的组成上是有些类似的。不同之处在于储能变流器会要求主控更强的控制能力，因为储能变流器需要捕获电网的电压、频率，并依据这些信号来控制储能系统接入电网并调整母线电压到适合储能工作的电压平台。
不论是前级DCDC的控制需求，还是后级DCAC的控制需求，主控需要随时控制流过电池的电流来响应充放电指令，平衡好电压、频率以及传输功率。所以这种设备对主控会要求更高效的内核运算能力、更丰富的外设资源和更充足的存储空间。

充电设备中的高度集成趋势

在用电侧，各种充电桩、充电设备的核心是功率模块，在功率模块内将电网中的交流电转化为可直接向电池充电的直流电。这部分的组成部分包括半导体功率器件、集成电路、磁性元件、PCB、电容等等。
用于其中AC输入侧、ACDC变换、DCDC变换部分的各类驱动、计量、检测芯片，都呈现出高度集成化趋势。单芯片的各种方案，能够有效减少器件的使用数量，这样有利于提高系统的功率密度。其中DCAC的转换会影响整个充电体验，使用高集成度高带宽的电流传感和高速的门级驱动能够提升DCAC的转换效率。