Efterhånden som omkostningerne ved solpaneler falder, og reglerne for nul-kulstof energi styrkes, fører det til en stigning i solcelleinstallationer verden over. Processen udvides fra forsyningsselskaber til kommercielle og boligapplikationer i stor skala, og antallet af boligsystemer forventes at vokse betydeligt over de næste fem år. Disse systemer vil levere ren, grøn energi til hjem, drive apparater, oplade elektriske køretøjer og endda sælge overskydende strøm tilbage til nettet. I tilfælde af strømafbrydelse kan det også sikre, at husets strømforsyning ikke kompromitteres. Denne artikel vil introducere dig til hovedkomponenterne og teknologiske udviklinger inden for boligsystemer til solenergi samt de strømløsninger, der er introduceret af onsemi.
Boligsolinverter: Mød hjemmets elektricitetsbehov
Et boligsolinvertersystem er en løsning til hjemmegenerering og lagring af strøm, som inkluderer en række fotovoltaiske (PV) paneler, der genererer en variabel jævnstrømsspænding, og en boost-konverter, der bruger en metode kaldet maksimal effektpunktsporing (MPPT), som optimerer den indfangede energi baseret på sollysets intensitet og retning, for at øge denne spænding til en højere jævnstrømslinkspænding. Den enfasede DC/AC-inverter konverterer derefter jævnstrømslinkspændingen (typisk < 600 VDC) til vekselstrømsspænding (120 til 240 V), som derefter forbindes til belastningen eller nettet.
Der findes forskellige typer boligsolinvertere, men de to mest almindelige er mikroinvertere og klyngeinvertere. Mikroinverter solsystemer bruger flere DC/AC-invertere, hver forbundet til et enkelt fotovoltaisk panel, som typisk producerer op til 1 kW output-effekt. Et serieinvertersystem kombinerer flere serielle fotovoltaiske strømindgange. Dog er tilslutning af flere solpaneler mindre effektivt end et mikroinvertersystem, fordi hvis et panel modtager mindre lys end de andre paneler i serien, lider hele systemets output. De er dog billigere end mikroinvertersystemer, med én inverter per panel.
Effektoptimerere (DC-DC-konvertere med integreret MPPT) hjælper med at forbedre effektiviteten af klyngeinvertersystemet, som konverterer den variable jævnstrømsspænding fra det fotovoltaiske panel til en fast jævnstrømsspænding, hvilket betyder, at den lave PV-output fra et enkelt panel ikke påvirker den samlede effektivitet.
Batterilagringssystemer (BESS) er afgørende for boligsolsystemer, og i de fleste tilfælde indfanges energi, når den er mindst nødvendig - i løbet af dagen, når folk ikke er hjemme. Brug af batterier til at lagre energi muliggør fleksibel brug af elektricitet, når det er nødvendigt (om natten, når familien er hjemme). En tovejskonverter forbinder BESS til solsystemet, og i løbet af dagen oplader konverteren batteribanken, mens de fotovoltaiske paneler genererer elektricitet. Om natten, når panelerne ikke genererer elektricitet, frigiver den tovejskonverter den lagrede energi i batteriet for at drive belastningen.
For at opnå høj effektivitet kan DC-DC-konvertere, der er inkluderet i strenginvertere eller mikroinvertere, bruge MPPT til at maksimere den effekt, der genereres af fotovoltaiske paneler under forskellige miljøforhold. DC-DC-konvertere kan baseres på en række isolerede og ikke-isolerede topologier; for solboligkonvertere er den mest almindelige ikke-isolerede topologi den enkelte boost-konverter, og den almindelige isolerede topologi er flyback-konverteren. Begge topologier er lavpris og har smalle formfaktorer. Der findes også DC-AC-invertere, som kan bygges ved hjælp af forskellige topologier, men vægt, størrelse og omkostninger ved inverteren skal overvejes.
Tovejede DC-DC-konvertere oplader og aflader batterierne i energilagringssystemet, typisk ved brug af resonant CLLC eller dual active bridge booster isoleringstopologier. Den understøtter et bredt spændingsområde for input og output og bruger en zero voltage switch (ZVS) for at øge effektiviteten, og den giver også sikkerhed ved at isolere batteripakken fra det fotovoltaiske panel.
Højtydende booster- og inverterstrømsmoduler
Som en leder inden for effektelektronik har On Semiconductor en bred portefølje af effekt-halvledere til boligsolsystemer, herunder 60 V - 150 V silicium MOSFET'er, 650 V siliciumkarbid diskrete MOSFET'er, 600 V og 650 V Field Stop 4 IGBTer og integrerede strømsmoduler.
Med forståelsen af, at energisystemtransformation kræver løsninger med højeste effektivitet, pålidelighed og sikkerhed, introducerede ON ON's Boost og Inverter Power Integration Module (PIM), som bruger Ons gate drivere, sensing, kontrol og perifere strømprodukter til at sikre netgrænsefladeelektronik for at fuldføre systemet.
For eksempel ved brug af HERIC H6.5-konverteren i ON's NXH75M65L4Q1 IGBT-modul på en DC-AC-inverter eliminerer designet behovet for transformere, hvilket reducerer vægt, størrelse og omkostninger for hele systemet, og topologien løser problemet med lækstrøm forårsaget af fælles tilstand (CM) spænding, der virker på den parasitiske kapacitor i PV-arrayet. Derudover som en tre-niveau topologi giver den højere effektivitet end H-bro-baserede tilgange. Generelt anbefales en tre-niveau topologi til både enfasede og trefasede applikationer for at minimere harmoniske og give en glattere output. Selvom flerniveau topologier kræver mere komplekse kontroller, giver de bedre ydeevne og effektivitet.
NXH75M65L4Q1 er et IGBT-modul i Q1-pakke med en tre-niveau H6.5 topologi, der indeholder seks 75A, 650V IGBTer, fem 50A, 650V Stealth-dioder og en termistor. NXH75M65L4Q1 er en hurtigskiftende Field Stop 4 Trench IGBT med lav VCE(SAT) og lavt skifttab, en modulær løsning i et lavinduktanslayout med svejsede ben. Almindelige slutprodukter inkluderer husholdningssolinvertere (enfasede strømforsyninger), UPS (enfasede strømforsyninger) og energilagringssystemer (enfasede strømforsyninger).
On tilbyder også silicium IGBTer vurderet til 600 V og 650 V, som har en smal mesa, bred rillebredde Field Stop 4 (FS4) teknologi med låseimmunitet og mindre gatekapacitans. Feltudskæringslaget øger blokeringseffekten og reducerer tykkelsen af driftlaget, hvilket igen reducerer lednings- og skifteenergitab til under 30 J/A. Det reducerer også termisk modstand, hvilket muliggør mindre chip- og pakkestørrelser. FS4 IGBT-designet udviser bedre effekt ved lav belastning end Field Stop 3 (FS3) designet i 4kW boost-konverteren, med bedre ydeevne end konkurrenter i samme klasse, og disse funktioner bidrager til realiseringen af højere effekttilpasning i solinvertere.
Siliciumkarbid forbedrer solsystemets ydeevne
Ons SiC MOSFET'er er designet til at være hurtige og robuste, hvilket giver systemfordele som høj effektivitet og reduceret systemstørrelse og omkostninger. Mosfets er metal-oxid-semiconductor felt-effekt transistorer med isolerede porte, og på trods af lignende designkomponenter har disse siliciumkarbid MOSFET'er en højere blokering spænding og højere termisk ledningsevne end silicium MOSFET'er.
SiC effekt-enheder har også lavere tilstandsmotstand og 10 gange højere nedbrydningstyrke end almindeligt silicium, elektronmætningens hastighed er 2 gange højere, båndgab er 3 gange højere, og termisk ledningsevne er 3 gange højere. Generelt har systemer, der bruger SiC MOSFET'er, bedre ydeevne og højere effektivitet end MOSFET'er lavet af silicium-materialer.
Valg af SiC MOSFET'er har mange fordele i forhold til silicium MOSFET'er, såsom højere skiftefrekvenser og højere pålidelighed. Udvikling ved høje temperaturer er heller ikke et problem ved brug af SiC MOSFET-moduler, da disse enheder fungerer effektivt selv ved høje temperaturer. Derudover kan du med SiC MOSFET'er også drage fordel af en mere kompakt produktstørrelse, da alle komponenter (induktorer, filtre osv.) er mindre. Derudover sikrer lav on-modstand og kompakt chipstørrelse lav kapacitans og gate-ladning. Derfor inkluderer systemfordelene ved SiC MOSFET'er højeste effektivitet, hurtigere driftshastighed, højere effekttæthed, højere driftstemperatur, lavere EMI og mindre systemstørrelse, hvilket giver den højeste effektivitet.
Som følge heraf muliggør siliciumkarbid (SiC) enheder mindre invertere i boligsolsystemer, samtidig med at de leverer bedre ydeevne end siliciumbaserede enheder. ON's 650 V EliteSiC diskrete MOSFET'er har lav RDS(ON) i både VGS- og temperaturintervaller og kan drives med en negativ gate-spænding, hvilket forbedrer støjmodstanden og undgår falsk tænd/sluk, når de bruges i brotopologier.
Omfattende værktøjer fremskynder produktudvikling
On tilbyder også en bred portefølje af produkter og værktøjer for at forenkle valg af enheder til solsystemer, herunder introduktionen af SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC højvolts hjælpeforsynings reference design, som inkluderer alt nødvendigt for at fremskynde produktudvikling (brugervejledning, materialeliste, Gerber-dokumentation osv.). On tilbyder også SPICE-modeller til systemdesignere, der ønsker at udføre mere avanceret systemevaluering og udvikling, hvilket muliggør undersøgelse af omvendt genopretning og parasitiske effekter på kredsløbs-, modul- og chipniveau samt termisk simulering og udforskning af selvopvarmningseffekter.
SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB evalueringskortet er en 40W SiC effektiv primærsidesregulering (PSR) højvolts hjælpeforsyning designet til at levere en stabil 15V output og 40W effekt over et bredt input DC spændingsområde fra 250V til 900V, hvilket gør det egnet til 400V og 800V batterisystemer.
Kortet bruger NCP1362 kvasi-resonant peak current PSR flyback-controller, 3-benede omkostningsoptimerede NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET'er og FFSP0665B-F085 SiC dioder. Takket være SiC FET's høje blokeringsevne og ultra-lave gate-ladning (34 nC) værdi reduceres skifttab betydeligt, og kortet udviser en overlegen effektivitet på op til 86 % for applikationer under lav linje inputforhold. NCP1362-controllerens betydelige drivkapacitet tillader SiC FET'er at operere direkte ved 12V uden behov for en fordriver, hvilket forenkler layout og reducerer antallet af komponenter.
Flyback-transformeren giver 4 kV isolation og er optimeret til at minimere tab på RCD-bufferen. Som resultat undertrykker systemet effektivt drænspændingsovershoot på høje linjer og giver en margin på 100V for SiC FET'er.
Konklusion
Solenergi generering og lagring er vigtige teknologier til at reducere kulstofemissioner og opbygge bæredygtig energi til vores daglige liv. For at få succes på dette voksende marked har udstyrsproducenter brug for fleksible løsninger til at forbedre energikvalitet, effektivitet og pålidelighed, samtidig med at installations- og driftsomkostninger reduceres. Med en komplet produktlinje og udviklingsværktøjer kan udstyrsproducenter være sikre på, at deres solprodukter leverer den effektivitet, pålidelighed og holdbarhed, der kræves for at opfylde kundernes behov til lavest mulige omkostninger.
