S klesajícími náklady na solární panely a zpřísňováním předpisů pro bezuhlíkovou energii dochází k nárůstu instalací solární energie po celém světě, přičemž tento proces se rozšiřuje od veřejných služeb přes komerční až po rezidenční aplikace ve velkém měřítku, a počet rezidenčních solárních systémů se očekává, že v příštích pěti letech výrazně vzroste. Tyto systémy budou poskytovat čistou, zelenou energii do domácností, napájet spotřebiče, nabíjet elektrická vozidla a dokonce prodávat přebytečnou energii zpět do sítě. V případě výpadku proudu také zajistí, že napájení domu nebude ohroženo. Tento článek vás seznámí s hlavními komponenty a technologickým vývojem rezidenčních solárních systémů, stejně jako s energetickými řešeními, která představila společnost onsemi.
Rezidenční solární měnič: Splňte domácí potřeby elektřiny
Rezidenční solární invertorový systém je domácí řešení pro výrobu a skladování energie, které zahrnuje pole fotovoltaických (PV) panelů generujících proměnné stejnosměrné napětí a zvyšovací měnič, který používá metodu zvanou sledování maximálního výkonového bodu (MPPT), jež optimalizuje zachycenou energii na základě intenzity a směru slunečního záření, aby zvýšil toto napětí na vyšší stejnosměrné napětí sběrnice. Jednofázový DC/AC invertor pak převádí napětí sběrnice DC (obvykle < 600 VDC) na střídavé napětí (120 až 240 V), které je následně připojeno k zátěži nebo síti.
Existují různé typy rezidenčních solárních měničů, ale dva nejběžnější jsou mikroinvertery a shlukové měniče. Solární systémy s mikroinvertery používají více DC/AC měničů, z nichž každý je připojen k jednomu fotovoltaickému panelu, obvykle produkujícímu až 1 kW výstupního výkonu. Systém sériového měniče kombinuje více vstupů fotovoltaické výroby energie v sérii. Připojení více solárních panelů je však méně efektivní než systém s mikroinverterem, protože pokud jeden panel dostává méně světla než ostatní panely v sérii, výstup celého systému trpí. Nicméně jsou levnější než systémy s mikroinvertery, s jedním měničem na panel.
Optimalizátory výkonu (DC-DC měniče s integrovaným MPPT) pomáhají zlepšit účinnost systému clusterového měniče, který převádí proměnné stejnosměrné napětí fotovoltaického panelu na pevné stejnosměrné napětí, což znamená, že nízký výkon jednoho panelu nebude ovlivňovat celkovou účinnost.
Systémy skladování energie v bateriích (BESS) jsou klíčové pro rezidenční solární systémy a ve většině případů je energie zachycována, když je nejméně potřeba - během dne, kdy lidé nejsou doma. Použití baterií ke skladování energie umožňuje flexibilní využití elektřiny, když je potřeba (v noci, když je rodina doma). Obousměrný měnič připojuje BESS k solárnímu systému a během dne měnič nabíjí bateriovou sadu, zatímco fotovoltaické panely vyrábějí elektřinu. V noci, kdy panely nevyrábějí elektřinu, obousměrný měnič uvolňuje energii uloženou v baterii k napájení zátěže.
Pro dosažení vysoké účinnosti mohou DC-DC měniče zahrnuté ve stringových invertorech nebo mikroinvertorech používat MPPT k maximalizaci výkonu generovaného fotovoltaickými panely za různých environmentálních podmínek. DC-DC měniče mohou být založeny na různých izolovaných i neizolovaných topologiích, pro solární rezidenční měniče je nejběžnější neizolovanou topologií jednopásmový boost měnič a běžnou izolovanou topologií flyback měnič. Obě topologie jsou nízkonákladové a mají úzké formáty. Existují také DC-AC invertory, které lze postavit pomocí různých topologií, ale je třeba zvážit hmotnost, velikost a cenu invertoru.
Obousměrné DC-DC měniče nabíjejí a vybíjejí baterie v systému ukládání energie, obvykle s využitím rezonančních topologií CLLC nebo duálního aktivního můstkového zesilovače s izolací. Podporují široký rozsah vstupních a výstupních napětí a používají spínač s nulovým napětím (ZVS) ke zvýšení účinnosti, a také poskytují bezpečnost tím, že izolují bateriový blok od fotovoltaického panelu.
Vysoce účinné zesilovací a invertorové napájecí moduly
Jako lídr v oblasti výkonové elektroniky má společnost On Semiconductor široké portfolio výkonových polovodičů pro rezidenční solární systémy, včetně křemíkových MOSFETů 60 V - 150 V, diskrétních MOSFETů z karbidu křemíku 650 V, Field Stop 4 IGBT 600 V a 650 V. A integrovaný výkonový modul.
S pochopením, že transformace energetického systému vyžaduje řešení s nejvyšší účinností, spolehlivostí a bezpečností, společnost ON představila modul integrace výkonu Boost a Inverter Power Integration Module (PIM), který využívá bránové ovladače, snímání, řízení a periferní napájecí produkty ON k zabezpečení elektroniky rozhraní sítě pro dokončení systému.
Například použitím měniče HERIC H6.5 modulu IGBT ON NXH75M65L4Q1 na DC-AC invertoru, tento návrh eliminuje potřebu transformátorů, čímž snižuje hmotnost, velikost a náklady celého systému, a topologie řeší problém únikového proudu způsobeného společným režimem (CM) napětí působícím na parazitní kondenzátor fotovoltaického pole. Navíc jako tříúrovňová topologie poskytuje vyšší účinnost než přístup založený na H-můstku. Obecně se tříúrovňová topologie doporučuje jak pro jednofázové, tak třífázové aplikace, aby minimalizovala harmonické a zajistila hladší výstup. Ačkoli vícestupňové topologie vyžadují složitější řízení, poskytují lepší výkon a účinnost.
NXH75M65L4Q1 je IGBT modul v pouzdře Q1 s tříúrovňovou topologií H6.5 obsahující šest 75A, 650V IGBT, pět 50A, 650V Stealth diod a termistor. NXH75M65L4Q1 je rychle spínající Field Stop 4 Trench IGBT s nízkým VCE(SAT) a nízkými spínacími ztrátami, modulární řešení v uspořádání s nízkou indukčností a svařenými piny. Běžné koncové produkty zahrnují domácí solární invertory (jednofázové napájení), UPS (jednofázové napájení) a systémy pro ukládání energie (jednofázové napájení).
On také nabízí křemíkové IGBT s napětím 600 V a 650 V, které mají úzkou mesu, širokou drážkovanou šířku technologie Field Stop 4 (FS4) s imunitou proti zámku a menší kapacitu brány. Vrstva Field Cutoff zvyšuje blokovací výkon a snižuje tloušťku driftové vrstvy, což následně snižuje ztráty při vedení a spínání energie pod 30 J/A. Také snižuje tepelný odpor, což umožňuje menší velikosti čipů a pouzder. Design FS4 IGBT vykazuje lepší účinnost při nízkém zatížení než design Field Stop 3 (FS3) v 4kW boost konvertoru, s lepším výkonem než konkurenti ve stejné třídě, a tyto vlastnosti přispívají k realizaci vysoce účinných solárních měničů.
Karbid křemíku zvyšuje výkon solárního systému
MOSFETy On's SiC jsou navrženy tak, aby byly rychlé a odolné, poskytující systémové výhody, jako je vysoká účinnost a snížená velikost a náklady systému. MOSFETy jsou tranzistory s řízeným polem s kovovým oxidem na polovodiči a izolovanými hradly, a přestože mají podobné konstrukční prvky, tyto MOSFETy z karbidu křemíku mají vyšší blokovací napětí a vyšší tepelnou vodivost než křemíkové MOSFETy.
Výkonové zařízení SiC mají také nižší stavový odpor a 10krát vyšší průraznou pevnost než běžný křemík, rychlost saturace elektronů je 2krát vyšší, šířka zakázaného pásma je 3krát větší a tepelná vodivost je 3krát vyšší. Obecně mají systémy používající SiC MOSFETy lepší výkon a vyšší účinnost než MOSFETy vyrobené z křemíkových materiálů.
Volba SiC MOSFETů má mnoho výhod oproti křemíkovým MOSFETům, jako jsou vyšší spínací frekvence a vyšší spolehlivost. Vývoj při vysokých teplotách také není problémem při použití SiC MOSFET modulů, protože tato zařízení pracují efektivně i při vysokých teplotách. Navíc u SiC MOSFETů můžete také těžit z kompaktnější velikosti produktu, protože všechny komponenty (induktory, filtry atd.) jsou menší. Dále nízký odpor v sepnutém stavu a kompaktní velikost čipu zajišťují nízkou kapacitu a náboj brány. Proto systémové výhody SiC MOSFETů zahrnují nejvyšší účinnost, rychlejší pracovní frekvenci, vyšší hustotu výkonu, vyšší provozní teplotu, nižší EMI a menší velikost systému, což poskytuje nejvyšší účinnost.
Výsledkem je, že zařízení z karbidu křemíku (SiC) umožňují menší invertory v rezidenčních solárních systémech a zároveň poskytují lepší výkon než zařízení založená na křemíku. Diskrétní MOSFETy ON 650 V EliteSiC mají nízký RDS(ON) v rozsahu VGS i teplot a mohou být řízeny záporným napětím na bráně, což zlepšuje odolnost proti šumu a zabraňuje falešnému zapnutí-vypnutí při použití v můstkových topologiích.
Komplexní nástroje urychlují vývoj produktu
On také nabízí široké portfolio produktů a nástrojů pro zjednodušení výběru zařízení pro solární systémy, včetně představení referenčního návrhu pomocného napájení SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC vysokého napětí, který obsahuje vše potřebné k urychlení vývoje produktu (uživatelský manuál, kusovník, Gerber dokumentaci atd.). On také nabízí SPICE modely pro systémové návrháře, kteří chtějí provádět pokročilejší hodnocení a vývoj systému, což umožňuje studium chování zpětného zotavení a parazitních efektů na úrovni obvodu, modulu a čipu, stejně jako tepelnou simulaci a zkoumání efektů samovytápění.
Evaluační deska SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB je 40W efektivní primární regulace (PSR) vysokonapěťového pomocného napájení s SiC, navržená tak, aby poskytovala stabilní výstup 15V a výkon 40W v širokém rozsahu vstupního stejnosměrného napětí od 250V do 900V, což ji činí vhodnou pro bateriové systémy 400V a 800V.
Deska používá NCP1362 kvazi-rezonanční PSR flyback řadič s špičkovým proudem, 3-pinové nákladově optimalizované NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFETy a FFSP0665B-F085 SiC diody. Díky vysoké blokovací napěťové schopnosti SiC FET a ultra-nízké hodnotě náboje na hradle (34 nC) jsou spínací ztráty výrazně sníženy a deska vykazuje vynikající účinnost až 86 % pro aplikace při nízkém vstupním napětí. Významná řídicí schopnost řadiče NCP1362 umožňuje provoz SiC FET přímo na 12V bez potřeby předřazení, což zjednodušuje rozvržení a snižuje počet součástek.
Flyback transformátor poskytuje izolaci 4 kV a je optimalizován tak, aby minimalizoval ztráty na RCD bufferu. Výsledkem je, že systém účinně potlačuje přepětí napětí na drainu na vysokých linkách a poskytuje rezervu 100 V pro SiC FETy.
Závěr
Výroba a skladování solární energie jsou důležité technologie pro snižování emisí uhlíku a budování udržitelné energie pro náš každodenní život. Aby výrobci zařízení uspěli na tomto rostoucím trhu, potřebují flexibilní řešení ke zlepšení kvality energie, efektivity a spolehlivosti při současném snížení nákladů na instalaci a provoz. Díky kompletní produktové řadě a vývojovým nástrojům mohou výrobci zařízení být přesvědčeni, že jejich solární produkty budou poskytovat efektivitu, spolehlivost a odolnost potřebnou k uspokojení potřeb zákazníků za nejnižší cenu.
