傾佳電子Home Battery Storage家儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)與分析報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

摘要

本報(bào)告旨在為傾佳電子的8-15kW家用儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一套基于碳化硅（SiC）功率器件的拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件選型及性能分析。該方案采用兩級(jí)式功率變換架構(gòu)：前級(jí)為雙向雙有源橋（Dual-Active-Bridge, DAB）DC-DC變換器，用于實(shí)現(xiàn)48V電池與高壓直流母線之間的隔離與升降壓；后級(jí)為T型三電平逆變器，用于將直流電能高效地轉(zhuǎn)換為交流電能并饋入電網(wǎng)。

性能展望與組件兼容性

得益于SiC MOSFET出色的低導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗特性，該方案預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)卓越的系統(tǒng)效率，尤其是在高頻運(yùn)行條件下。所選用的BTD5350x系列隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器（以下簡(jiǎn)稱BTD5350x）其10A峰值輸出電流和米勒鉗位功能，與所選SiC MOSFET的柵極電荷特性完美匹配，為高可靠性、高效率的開關(guān)操作提供了保障 。

結(jié)論與建議

本報(bào)告最終確認(rèn)了一套經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案，并提出了關(guān)于低壓側(cè)器件選型、中點(diǎn)電位控制算法開發(fā)和熱管理策略的具前瞻性的建議，以幫助光儲(chǔ)電力電子研發(fā)工程師成功開發(fā)一款高性能、高可靠性的家用儲(chǔ)能產(chǎn)品。

系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)原理

整體系統(tǒng)框圖與功率流

本家儲(chǔ)系統(tǒng)采用模塊化的兩級(jí)功率變換架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)48V鋰電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)核心由一個(gè)高頻DAB DC-DC變換器和一個(gè)T型三電平逆變器組成。DAB變換器負(fù)責(zé)將電池組的48V低壓直流電能高效地升壓至600V的高壓直流母線，反之亦然。DAB的隔離特性保障了電池與電網(wǎng)之間的電氣安全。T型三電平逆變器則將600V直流母線電壓轉(zhuǎn)換為交流電能輸出至電網(wǎng)或家庭負(fù)載。在并網(wǎng)充電模式下，該過程反向進(jìn)行。

電壓等級(jí)選擇與論證

用戶指定的電池采用48V鋰電池方案，這是家用儲(chǔ)能系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)配置，具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 。對(duì)于高壓直流母線電壓，本方案建議選擇

600V。這一選擇是經(jīng)過綜合考量的結(jié)果，旨在平衡DAB變換器低壓側(cè)的電流應(yīng)力與高壓側(cè)元器件的電壓裕量。

選擇600V的直流母線電壓，為高壓側(cè)的B3M040065Z SiC MOSFET提供了650V - 600V = 50V的電壓安全裕度 。同時(shí)，它也完全在T型三電平逆變器內(nèi)部開關(guān)管B3M010C075Z（750V耐壓）和外部開關(guān)管B3M013C120Z（1200V耐壓）的承受范圍之內(nèi)，確保了充足的設(shè)計(jì)冗余。該電壓等級(jí)也常見于電動(dòng)汽車充電樁和光伏并網(wǎng)逆變器等高功率應(yīng)用 。

選擇600V而非更高的電壓（如700-800V），可以避免DAB高壓側(cè)開關(guān)管B3M040065Z因耐壓不足而失效。相反，若采用更低的母線電壓（如400V），DAB高壓側(cè)的電流會(huì)顯著增加，導(dǎo)致需要使用更大額定電流的器件或并聯(lián)多個(gè)器件，從而增加成本和復(fù)雜性。因此，600V是該拓?fù)浞桨钢屑骖櫫似骷x型、效率和成本的最優(yōu)折衷點(diǎn)。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇論證

雙向DAB DC-DC: DAB變換器以其高效率、天然的電氣隔離特性以及平滑的雙向功率流控制能力，成為連接電池和高壓直流母線的理想選擇 。其采用的高頻變壓器不僅減小了體積，還提供了必要的安全隔離。

T型三電平逆變器: 相比傳統(tǒng)的兩電平逆變器，T型三電平拓?fù)淠墚a(chǎn)生更小的輸出電壓諧波，降低對(duì)濾波器尺寸的要求，并能在高頻下實(shí)現(xiàn)更低的半導(dǎo)體損耗 。這對(duì)于提升系統(tǒng)整體效率和功率密度至關(guān)重要。

雙向DC-DC級(jí)：DAB變換器設(shè)計(jì)

運(yùn)行分析與元件驗(yàn)證

DAB變換器通過控制原副邊H橋之間的相移來實(shí)現(xiàn)功率傳輸。對(duì)于高壓側(cè)H橋，選定的B3M040065Z SiC MOSFET器件經(jīng)過驗(yàn)證，完全符合設(shè)計(jì)要求。

電壓應(yīng)力: B3M040065Z的漏源電壓額定值為650V，在600V的直流母線電壓下具有50V的裕量，足以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行中的電壓波動(dòng) 。

電流應(yīng)力: 在10kW標(biāo)稱功率下，高壓側(cè)的平均電流約為10000W/600V≈16.7A。即使在15kW最大功率下，電流也僅為25A。B3M040065Z在TC?=25°C時(shí)的連續(xù)漏電流額定值為67A，即使在TC?=100°C時(shí)仍有47A，遠(yuǎn)超實(shí)際需求 。

DC-AC級(jí)：T型三電平逆變器設(shè)計(jì)

核心元器件的角色調(diào)換

根據(jù)T型三電平逆變器的物理特性，其開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力是不均勻的 。外部開關(guān)管（即與直流母線相連的開關(guān)）必須阻斷整個(gè)直流母線電壓，而內(nèi)部開關(guān)管（即與中點(diǎn)相連的開關(guān)）僅需阻斷一半的直流母線電壓

外部開關(guān)管: 需選用耐壓高于600V的器件。因此，B3M013C120Z（1200V耐壓）是唯一且最合適的選擇。其1200V的額定電壓為600V母線提供了高達(dá)兩倍的安全裕量 。

內(nèi)部開關(guān)管: 僅需承受約300V的半母線電壓。B3M010C075Z（750V耐壓）足以勝任，其750V的額定電壓提供了2.5倍的裕量，確保了可靠性 。

下表詳細(xì)列出了器件分配及其電氣參數(shù)：

表1：關(guān)鍵SiC MOSFET參數(shù)與角色分配

表2：T型逆變器器件分配修正

B3M013C120Z: 這些開關(guān)負(fù)責(zé)連接輸出至全直流母線，其損耗主要由開關(guān)損耗決定 。該器件1200V的耐壓可以有效應(yīng)對(duì)全母線電壓應(yīng)力，而其0.20 K/W的低結(jié)殼熱阻則有助于在高頻開關(guān)過程中快速耗散熱量，防止器件過熱 。

B3M010C075Z: 這些開關(guān)及其反并聯(lián)二極管在T型逆變器中導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)，因此其損耗以傳導(dǎo)損耗為主 。B3M010C075Z的750V耐壓完全滿足半母線電壓應(yīng)力，其10mΩ的極低導(dǎo)通電阻使其成為降低傳導(dǎo)損耗、提升整體效率的理想選擇 。制造商對(duì)這兩款器件都采用了銀燒結(jié)技術(shù)以降低熱阻，這表明其設(shè)計(jì)本身就考慮了T型逆變器損耗不均勻的挑戰(zhàn)，這為該方案提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。

中點(diǎn)電位（NPV）平衡控制

T型三電平逆變器的中點(diǎn)電位平衡是其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。直流母線由兩個(gè)串聯(lián)電容構(gòu)成，其中點(diǎn)電位若出現(xiàn)偏差，會(huì)導(dǎo)致上下臂開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力不均，最終可能引發(fā)過壓失效 。為解決此問題，必須在控制算法中引入中點(diǎn)電位平衡控制，例如通過零序電壓注入或利用冗余開關(guān)狀態(tài)來動(dòng)態(tài)調(diào)整流經(jīng)中點(diǎn)的電流，從而抑制中點(diǎn)電位的波動(dòng)，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行 。

合損耗與效率分析

損耗建模方法

本報(bào)告的性能分析基于兩種主要的損耗機(jī)制：

傳導(dǎo)損耗 (Pcond?): 主要由開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)阻決定，其計(jì)算公式為 Pcond?=Irms2?×RDS(on)?。

開關(guān)損耗 (Psw?): 主要由器件在開通和關(guān)斷過程中的能量損耗決定，其計(jì)算公式為 Psw?=fsw?×(Eon?+Eoff?)。

詳細(xì)損耗分解與預(yù)測(cè)

在10kW標(biāo)稱功率和600V直流母線電壓下，我們對(duì)關(guān)鍵元器件的損耗進(jìn)行如下預(yù)測(cè)。

表3：預(yù)測(cè)損耗分解（在10kW標(biāo)稱功率下）

分析顯示，DAB高壓側(cè)的B3M040065Z在600V母線電壓下，其平均電流雖然相對(duì)較低，但其結(jié)殼熱阻高達(dá)0.60 K/W，是其余兩款器件（0.20 K/W）的三倍 。這意味著在相同的損耗功率下，B3M040065Z的結(jié)溫升將遠(yuǎn)高于逆變器中的器件。因此，DAB高壓側(cè)成為整個(gè)系統(tǒng)的潛在熱瓶頸，其熱管理方案需要得到額外關(guān)注。

柵極驅(qū)動(dòng)與保護(hù)策略

柵極驅(qū)動(dòng)選型與論證

對(duì)于所有SiC MOSFET，強(qiáng)烈推薦使用BTD5350M系列隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器。其最突出的優(yōu)勢(shì)是集成了有源米勒鉗位功能 。在高頻、高壓的硬開關(guān)拓?fù)渲?，快速?dv/dt可能通過米勒效應(yīng)在關(guān)斷的MOSFET柵極上感應(yīng)出電壓尖峰，導(dǎo)致其寄生導(dǎo)通。BTD5350M的米勒鉗位功能可以在關(guān)斷期間為柵極提供低阻抗路徑，有效吸收米勒電流，防止誤導(dǎo)通，從而提高系統(tǒng)可靠性 。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

BTD5350x驅(qū)動(dòng)器10A的峰值輸出電流足以快速驅(qū)動(dòng)所選SiC MOSFET，其總柵極電荷QG?在60 nC到225 nC之間 。通過選擇合適的外部柵極電阻 RG?，可以精確控制開關(guān)速度，平衡開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI），并有效抑制開關(guān)過程中的振鈴。BTD5350x的超低傳輸延遲（低至60ns）使得死區(qū)時(shí)間可以設(shè)置得非常小，從而降低了續(xù)流二極管的傳導(dǎo)損耗，直接提升了系統(tǒng)效率 。

保護(hù)機(jī)制

BTD5350x提供了多重內(nèi)置保護(hù)，包括原邊和副邊的欠壓鎖定（UVLO）功能，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)關(guān)閉輸出，以防止在柵極電壓不足時(shí)開關(guān)管不完全導(dǎo)通而發(fā)生高損耗甚至失效 。這對(duì)于SiC MOSFET的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

表4：推薦柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)

熱管理與可靠性

熱阻分析

有效的熱管理是SiC器件發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)并確保長(zhǎng)期可靠性的前提。所選B3M010C075Z和B3M013C120Z的結(jié)殼熱阻均為0.20 K/W，而B3M040065Z的熱阻為0.60 K/W 。DAB高壓側(cè)器件更高的熱阻意味著其結(jié)溫相對(duì)于外殼溫度上升更快，這要求為其設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的散熱方案。

散熱片設(shè)計(jì)考量

基于第5節(jié)的損耗預(yù)測(cè)，T型逆變器中損耗最大的元器件是橫管，但其熱阻最低。而DAB高壓側(cè)雖然總損耗較低，但其高熱阻使其成為熱管理設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)每種器件的預(yù)測(cè)總損耗，計(jì)算所需的散熱片熱阻，并可能需要為DAB高壓側(cè)器件配置更大面積的散熱片或更強(qiáng)的風(fēng)冷措施。值得一提的是，B3M010C075Z和B3M013C120Z所采用的銀燒結(jié)技術(shù)顯著降低了熱阻，提升了散熱效率 。

結(jié)論與建議

最終設(shè)計(jì)方案總結(jié)

傾佳電子為光儲(chǔ)客戶的家儲(chǔ)系統(tǒng)提供了一套基于SiC技術(shù)的DAB-T型三電平混合拓?fù)浞桨?。通過對(duì)元器件的嚴(yán)謹(jǐn)分析和設(shè)計(jì)修正，方案確保了所有核心功率器件均在安全電壓與電流范圍內(nèi)運(yùn)行。該方案利用了SiC器件的高頻低損耗優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)卓越的轉(zhuǎn)換效率和高功率密度。

行動(dòng)建議

控制系統(tǒng)開發(fā): 優(yōu)先投入資源開發(fā)T型三電平逆變器的中點(diǎn)電位平衡控制算法，并結(jié)合DAB的相移控制，以確保全功率范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。

低壓側(cè)器件選型: 立即著手選擇并驗(yàn)證DAB低壓側(cè)的高電流功率器件，考慮并聯(lián)方案，并進(jìn)行詳盡的熱管理和電流均流設(shè)計(jì)。

原型驗(yàn)證: 建議盡快構(gòu)建原型機(jī)，以實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證本報(bào)告中的效率和熱管理模型，并進(jìn)行全面的電磁兼容性（EMC）測(cè)試。

器件合作: 與基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）等SiC器件供應(yīng)商保持緊密合作，獲取最新的應(yīng)用筆記和技術(shù)支持，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。