電流轉(zhuǎn)換與控制的核心，IGBT在便攜儲(chǔ)能中的重要作用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）IGBT是實(shí)現(xiàn)直流（DC）到交流（AC）轉(zhuǎn)換的核心器件，它結(jié)合了MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的輸入阻抗高和BJT（雙極型晶體管）的載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在便攜儲(chǔ)能中，IGBT不僅確保了電能的有效轉(zhuǎn)換，還有助于提高整體系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著新能源的發(fā)展，IGBT的需求也在不斷增長(zhǎng)，顯示出其在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域的重要性。

IGBT的重要作用

所謂IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。其最大的特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。

在便攜儲(chǔ)能中，IGBT扮演著重要角色，主要負(fù)責(zé)變壓、變頻和交流轉(zhuǎn)換等核心功能。比如IGBT能夠有效地進(jìn)行電壓和頻率的轉(zhuǎn)換，這對(duì)于便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冃枰獙㈦姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可以供各種設(shè)備使用的特定電壓和頻率的交流電。

便攜式儲(chǔ)能設(shè)備通常需要將電池的直流電高效地轉(zhuǎn)換為適用于各種負(fù)載的電壓和頻率，如交流電輸出。IGBT作為電力電子器件中的核心組件之一，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高速度的直流-交流（DC-AC）逆變功能，使設(shè)備可以為交流電器供電。

同時(shí)IGBT適用于較低開(kāi)關(guān)頻率和大電流的應(yīng)用，其導(dǎo)通損耗比MOSFET更低，這使得IGBT在便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)中能夠提供更高的效率和更低的能量損耗，尤其是在大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。

在BMS中，IGBT也用于執(zhí)行快速且精準(zhǔn)的電池充放電控制，確保安全可靠的能源傳輸，同時(shí)通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)降低損耗，提高整體系統(tǒng)的能效比。IGBT具有開(kāi)關(guān)速度快、阻斷電壓高的特點(diǎn)，因此常被用作電流限制或開(kāi)關(guān)控制元件，以防止電路過(guò)載、短路等故障情況發(fā)生，保障整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在成本控制上，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本主要由電池和儲(chǔ)能逆變器構(gòu)成，其中儲(chǔ)能逆變器占到了相當(dāng)一部分成本。IGBT作為儲(chǔ)能逆變器的關(guān)鍵原材料之一，對(duì)控制整體成本有重要影響。

具體來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本主要由電池和儲(chǔ)能逆變器構(gòu)成，兩者合計(jì)構(gòu)成電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的80%，其中儲(chǔ)能逆變器占到20%。IGBT為儲(chǔ)能逆變器的上游原材料，IGBT的性能決定了儲(chǔ)能逆變器的性能，占逆變器價(jià)值量的20%-30%。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代IGBT模塊體積小、重量輕，適合于便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需求，能夠在有限的空間內(nèi)集成大功率轉(zhuǎn)換功能。而優(yōu)質(zhì)的IGBT具備良好的散熱性能和高溫穩(wěn)定性，這對(duì)于可能在戶外極端環(huán)境下使用的便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品至關(guān)重要，確保設(shè)備即使在高溫條件下也能保持正常工作。

IGBT在儲(chǔ)能中的應(yīng)用與發(fā)展

IGBT在儲(chǔ)能中的應(yīng)用非常廣泛，而且至關(guān)重要，特別是在逆變器領(lǐng)域。它能夠?qū)崿F(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，使得電池等直流電源能夠?yàn)榧矣秒娖鞯冉涣髫?fù)載提供電力。

比如在光伏、風(fēng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)中，IGBT是構(gòu)成高壓大功率逆變器的核心器件。通過(guò)IGBT，可將電池或超級(jí)電容器儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并接入電網(wǎng)或者供給負(fù)載使用。

而在儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程中，IGBT被用于精確控制電流和電壓，確保充電效率高、放電平穩(wěn)，同時(shí)保護(hù)電池不受損害，延長(zhǎng)其使用壽命。

同時(shí)IGBT具有較高的開(kāi)關(guān)速度和較低的導(dǎo)通損耗，可以有效提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)從存儲(chǔ)到釋放能源過(guò)程中的轉(zhuǎn)換效率，降低整體運(yùn)營(yíng)成本。作為電力電子變換設(shè)備的一部分，IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ?，有助于提高并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

不過(guò)隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新能源的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。例如，如何提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度和安全性、如何降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和提高其壽命等。

隨著SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研發(fā)和應(yīng)用，新一代的IGBT將結(jié)合這些新材料以進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通電阻，提高工作頻率和耐壓能力，從而實(shí)現(xiàn)更高性能的儲(chǔ)能逆變器。

將IGBT與其他元件如驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等進(jìn)行集成封裝，形成智能化、模塊化的解決方案，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本并提高可靠性。還可以結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和AI算法，未來(lái)的IGBT將在儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)控制，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境和負(fù)載需求。

針對(duì)戶外及特殊環(huán)境應(yīng)用，IGBT會(huì)不斷提升高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作以及低溫啟動(dòng)的能力，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的苛刻要求。

總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)在儲(chǔ)能中，IGBT將朝著高頻化、集成化、智能化、定制化的方向發(fā)展。以高頻化為例，通過(guò)提高IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，可以減小儲(chǔ)能逆變器的體積和重量，提高其功率密度。

而在定制化上，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和客戶需求，定制化的IGBT將成為未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。例如，針對(duì)新能源車輛的儲(chǔ)能逆變器需要高效率、高功率密度的IGBT，而針對(duì)家庭儲(chǔ)能的儲(chǔ)能逆變器則需要低成本、長(zhǎng)壽命的IGBT。

小結(jié)

IGBT在便攜儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用不可或缺，它不僅確保了電能的有效轉(zhuǎn)換，還有助于提高整體系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著新能源的發(fā)展，IGBT的需求也在不斷增長(zhǎng)，顯示出其在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域的重要性。