储能
由于对随时可用电力的需求不断增长，社区正在努力增加可再生能源的使用，并经常与现有和新兴的储能系统（ESS）技术形成协同关系。风能和太阳能发电与锂离子电池装置的结合是发展最快的解决方案之一，ESS 是这些系统的重要组成部分。
市场前景
截至 2019 年 3 月，美国有两个最大的公用事业规模电池储能站点在运营，每个站点可提供 40 兆瓦的发电能力：阿拉斯加金谷电力协会的电池储能系统和加利福尼亚州的 Vista Energy 储能系统。
在美国，有 16 个运营中的电池储能场的装机容量达到或超过 20 兆瓦。截至 2019 年 3 月，在各州报告的 899 兆瓦装机容量中，加利福尼亚州、伊利诺伊州和德克萨斯州的装机容量略低于一半。加利福尼亚州以 230 兆瓦的装机量遥遥领先。参见右图 1。
2020 年 1 月，美国能源部长丹-布劳莱特（Dan Brouillette）宣布了一项全面计划，旨在加速开发下一代能源存储技术，使美国成为全球领先者。
2020 年，Lux Research 报告称，到 2035 年，全球储能市场预计将增长至 5460 亿美元。其中最大的市场可能是住宅储能，预计复合年增长率为 76%，未来三年的收入将增加 80 亿美元。
图 1：美国公用事业级电池储能容量（兆瓦）（图片来自美国能源信息署
我们为什么需要储能？
能源消费者正在迅速成为积极的电力生产者，同时也要求获得清洁、可靠和价格合理的电力。
现代能源生产和消费的变化受到三个强大趋势的推动：价格更低廉的分布式发电技术、通过整合更多可再生能源实现世界电网的去碳化，以及数字技术的出现。
电池储能解决方案为整个能源价值链提供了新的应用灵活性和新的商业价值，从传统发电、输配电、可再生能源到工业和商业领域。储能可实现多种应用，包括稳固可再生能源生产、稳定电网、控制能源流、优化资产运营和创造新收入。
对于可再生能源开发商来说，储能可以更快地替代可能需要一年或更长准备时间的购电协议（PPA）。对于公用事业公司来说，随着分布式发电量的增加，储能技术也具有现实意义。储能可以帮助可再生能源开发商提高可再生能源的可调度性和可预测性，有助于满足严格的规范和连接许可要求。
在 ESS 中使用传统硅功率器件
使用硅（Si）功率晶体管设计大功率双向逆变器会因传导和开关损耗大而降低系统功率性能。与使用氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）等宽带隙（WBG）器件相比，效率会降低，需要更多冷却，占用更多电路板空间。
较低的工作频率需要更大的滤波电感器和电容器，这将导致设计成本、重量和体积的增加。电感器损耗的增加也会降低效率。
WBG 电源设备提供最佳储能解决方案
氮化镓功率晶体管
分布式储能设备（DESD）的一个很好的例子是采用 650V GaN 晶体管的隔离式双向 DC-DC 转换器。DESD 集成了 13.2V 低压锂离子电池组、嵌入式双向 DC-DC 转换器和无线通信系统。这三个部分可以封装在一起，使其能够直接连接到高压（380V）直流电网。这就实现了电池储能系统的模块化方法。高压侧使用了两个 650V 增强型氮化镓晶体管。图 2 右侧显示了用于 1kWh DESD 的 400V 至 12V 直流（例如辅助电源）、1kW 转换器。
与硅器件相比，氮化镓功率器件的性能有了显著提高。氮化镓晶体管通过将工作范围扩大到轻负载、降低开关损耗和电磁干扰、提高充放电操作的总效率来改善性能。
采用半桥中心抽头设计和有源钳位功率级，可在低电压和大电流双向电源转换中提供显著优势。参见右图 3。
与硅器件相比，氮化镓功率开关还能扩大安全工作区域（SOA）并提高效率。与硅器件相比，氮化镓器件的性能有所提高，这是因为氮化镓器件的COSS电容更小，从而降低了关断损耗；这使得转换器可以在硬开关模式下工作。此外，氮化镓器件的反向恢复时间和体二极管的反向恢复电荷几乎为零，从而缩短了高压侧开关在整流模式下工作时的关断时间。
碳化硅功率晶体管
碳化硅（SiC）技术作为 ESS 解决方案的核心，在功率方面比硅技术又有了出色的改进。碳化硅功率半导体解决方案的效率比碳化硅至少高出 50%，并能轻松处理更高的电网电压。碳化硅功率器件提供的效率、功率密度和快速开关速度使系统级获得了更高的性能。
使用碳化硅模块：为了以较低的开关损耗实现较高的开关速度，可以在模块和系统级母线设计中采用低杂散电感的封装。
Wolfspeed 模块内的电流回路宽而扁平，器件之间分布均匀，从而在开关位置上形成等效阻抗。模块上的电源端子也是垂直偏移的。这样就可以在直流链路电容器和模块之间设计简单的总线，并一直层叠到模块，而不需要弯曲、铆接、支座或任何复杂的隔离。正如 XM3 逆变器参考设计所展示的，10 MHz 时的功率回路杂散电感仅为 6.7 nH。参见右图 4。
Wolfspeed 的XM3电源模块平台的重量和体积仅为标准 62 毫米模块的一半，可最大限度地提高功率密度（高达 450A），同时最大限度地减少环路电感并实现简单的电源总线。参见右图 5。
XM3 的碳化硅优化封装可实现 175 °C 连续结工作。
储能系统对全球快速增长的可再生能源市场至关重要。在这种设计中使用硅功率器件，在尺寸、重量和功率方面都无法与使用 WBG 器件相提并论，而使用 WBG 器件还能大大提高效率并在更高电压下工作。
图 2：带有分布式储能设备（DESD）和分布式可再生能源资源（DRER）的 380 伏直流微电网系统设计（图片来自参考文献 1）
图 3：采用有源箝位转换器的半桥中心抽头架构在高压侧采用了氮化镓晶体管作为功率元件（图片来自参考文献 1）
图 4：XM3 模块的侧视图，显示了非平面电源引线（图片来自 Wolfspeed 公司）
图 5：三相逆变器总线布局（图片来自 Wolfspeed）
参考资料
- 基于采用 650V GaN 晶体管的新型双向 DC-DC 转换器的分布式储能设备》，Fei Xue、Ruiyang Yu、Wensong Yu、Alex Q. Huang，北卡罗来纳州立大学 FREEDM 系统中心，IEEE 2015。
