電流轉(zhuǎn)換與控制的核心，IGBT在便攜儲能中的重要作用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）IGBT是實現(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）的載流能力強的優(yōu)點。在便攜儲能中，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，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，是一個非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)做開路。其最大的特點就是高壓、大電流、高速。

在便攜儲能中，IGBT扮演著重要角色，主要負責(zé)變壓、變頻和交流轉(zhuǎn)換等核心功能。比如IGBT能夠有效地進行電壓和頻率的轉(zhuǎn)換，這對于便攜儲能系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因為它們需要將電池產(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IGBT適用于較低開關(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)用場合。

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

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

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

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，現(xiàn)代IGBT模塊體積小、重量輕，適合于便攜式儲能產(chǎn)品的緊湊設(shè)計需求，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，這對于可能在戶外極端環(huán)境下使用的便攜式儲能產(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在儲能中的應(yīng)用與發(fā)展

IGBT在儲能中的應(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為家用電器等交流負載提供電力。

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IGBT，可將電池或超級電容器儲存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并接入電網(wǎng)或者供給負載使用。

而在儲能系統(tǒng)的充放電過程中，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)，同時保護電池不受損害，延長其使用壽命。

同時IGBT具有較高的開關(guān)速度和較低的導(dǎo)通損耗，可以有效提高整個儲能系統(tǒng)從存儲到釋放能源過程中的轉(zhuǎn)換效率，降低整體運營成本。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、無功補償?shù)裙δ?，有助于提高并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

不過隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新能源的發(fā)展，儲能技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。例如，如何提高儲能系統(tǒng)的能量密度和安全性、如何降低儲能系統(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)合這些新材料以進一步降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通電阻，提高工作頻率和耐壓能力，從而實現(xiàn)更高性能的儲能逆變器。

將IGBT與其他元件如驅(qū)動電路、保護電路等進行集成封裝，形成智能化、模塊化的解決方案，簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低成本并提高可靠性。還可以結(jié)合先進的數(shù)字信號處理技術(shù)和AI算法，未來的IGBT將在儲能系統(tǒng)中實現(xiàn)更精準的實時監(jiān)控和自適應(yīng)控制，以應(yīng)對復(fù)雜多變的運行環(huán)境和負載需求。

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

總的來說，未來在儲能中，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，通過提高IGBT的開關(guān)頻率，可以減小儲能逆變器的體積和重量，提高其功率密度。

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

小結(jié)

IGBT在便攜儲能系統(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，顯示出其在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域的重要性。