Da die sinkenden Kosten für Solarmodule und die Verschärfung der CO2-freien Energievorschriften zu einem weltweiten Anstieg der Solarstrominstallationen führen, weitet sich der Prozess in großem Umfang von Versorgungsbetrieben auf gewerbliche bis hin zu privaten Anwendungen aus, und die Zahl der Solaranlagen für Privathaushalte nimmt zu Es wird erwartet, dass es in den nächsten fünf Jahren deutlich wachsen wird. Diese Systeme versorgen Haushalte mit sauberer, grüner Energie, versorgen Geräte mit Strom, laden Elektrofahrzeuge auf und verkaufen sogar überschüssigen Strom zurück ins Netz. Auch bei einem Stromausfall kann so sichergestellt werden, dass die Stromversorgung des Hauses nicht beeinträchtigt wird. In diesem Artikel werden Ihnen die Hauptkomponenten und technologischen Entwicklungen von Solarsystemen für Privathaushalte sowie die von onsemi eingeführten Energielösungen vorgestellt.

 

Solar-Wechselrichter für Privathaushalte: Erfüllen Sie den Strombedarf Ihres Zuhauses

 

Ein Solar-Wechselrichtersystem für Privathaushalte ist eine Lösung zur Stromerzeugung und -speicherung für Privathaushalte, die eine Reihe von Photovoltaikmodulen (PV) umfasst, die eine variable Gleichspannung erzeugen, und einen Aufwärtswandler, der eine Methode namens Maximum Power Point Tracking (MPPT) verwendet, die die Leistung optimiert basierend auf der Intensität und Richtung des Sonnenlichts erfasste Energie, um diese Spannung auf eine höhere Zwischenkreisspannung zu erhöhen. Der einphasige DC/AC-Wechselrichter wandelt dann die Zwischenkreisspannung (typischerweise <600 VDC) in Wechselspannung (120 bis 240 V) um, die dann an die Last oder das Netz angeschlossen wird.

Es gibt verschiedene Arten von Solarwechselrichtern für Privathaushalte, am häufigsten sind jedoch Mikro-Wechselrichter und Cluster-Wechselrichter. Mikro-Wechselrichter-Solarsysteme nutzen mehrere DC/AC-Wechselrichter, die jeweils an ein einzelnes Photovoltaik-Panel angeschlossen sind und typischerweise bis zu 1 kW Ausgangsleistung erzeugen. Ein Reihenwechselrichtersystem kombiniert mehrere Reiheneingänge für die Photovoltaik-Stromerzeugung. Allerdings ist die Verbindung mehrerer Solarmodule weniger effizient als ein Mikro-Wechselrichtersystem, denn wenn ein Modul weniger Licht erhält als die anderen Module in der Reihe, leidet die Leistung des gesamten Systems. Allerdings sind sie günstiger als Mikro-Wechselrichtersysteme mit einem Wechselrichter pro Panel.

Leistungsoptimierer (DC-DC-Wandler mit integriertem MPPT) tragen zur Verbesserung der Effizienz des Cluster-Wechselrichtersystems bei, das die variable Gleichspannung des Photovoltaikmoduls in eine feste Gleichspannung umwandelt, sodass die niedrige PV-Leistung eines einzelnen Moduls keinen Einfluss hat die Gesamteffizienz.

Batteriespeichersysteme (BESS) sind für Solaranlagen in Privathaushalten von entscheidender Bedeutung. In den meisten Fällen wird Energie dann erfasst, wenn sie am wenigsten benötigt wird – tagsüber, wenn die Menschen nicht zu Hause sind. Der Einsatz von Batterien zur Energiespeicherung ermöglicht eine flexible Nutzung des Stroms bei Bedarf (nachts, wenn die Familie zu Hause ist). Ein Zwei-Wege-Konverter verbindet das BESS mit dem Solarsystem. Tagsüber lädt der Konverter die Batterie auf, während die Photovoltaikmodule Strom erzeugen. Nachts, wenn die Module keinen Strom erzeugen, gibt der bidirektionale Wandler die in der Batterie gespeicherte Energie frei, um die Last anzutreiben.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, können DC/DC-Wandler in String-Wechselrichtern oder Mikro-Wechselrichtern MPPT verwenden, um die von Photovoltaikmodulen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erzeugte Leistung zu maximieren. DC/DC-Wandler können auf einer Vielzahl von isolierten und nicht isolierten Topologien basieren. Bei Solarkonvertern für Privathaushalte ist die häufigste nicht isolierte Topologie der einzelne Aufwärtswandler und die häufigste isolierte Topologie der Sperrwandler. Beide Topologien sind kostengünstig und haben schmale Formfaktoren. Es gibt auch DC-AC-Wechselrichter, die in verschiedenen Topologien aufgebaut werden können, allerdings müssen Gewicht, Größe und Kosten des Wechselrichters berücksichtigt werden.

Bidirektionale DC/DC-Wandler laden und entladen die Batterien im Energiespeichersystem, typischerweise unter Verwendung resonanter CLLC- oder Dual-Active-Bridge-Booster-Isolationstopologien. Es unterstützt ein breites Spektrum an Eingangs- und Ausgangsspannungen und verwendet einen Nullspannungsschalter (ZVS), um die Effizienz zu steigern. Außerdem sorgt es für Sicherheit, indem es den Batteriesatz vom Photovoltaik-Panel isoliert.

 

Hocheffiziente Booster- und Wechselrichter-Leistungsmodule

 

Als führendes Unternehmen im Bereich Leistungselektronik verfügt On Semiconductor über ein breites Portfolio an Leistungshalbleitern für private Solarsysteme, darunter 60-V- bis 150-V-Silizium-MOSFETs, 650-V-Siliziumkarbid-Diskret-MOSFETs sowie 600-V- und 650-V-Field-Stop-4-IGBTs. Und integriertes Leistungsmodul.

ON ist sich darüber im Klaren, dass die Transformation des Energiesystems Lösungen mit höchster Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit erfordert, und hat daher das Boost and Inverter Power Integration Module (PIM) von ON eingeführt, das die Gate-Treiber, Sensor-, Steuerungs- und peripheren Stromversorgungsprodukte von On nutzt, um die Elektronik der Netzschnittstelle zu sichern und so das Ganze zu vervollständigen System.

Durch die Verwendung des HERIC H6.5-Konverters des IGBT-Moduls NXH75M65L4Q1 von ON an einem DC-AC-Wechselrichter macht das Design beispielsweise Transformatoren überflüssig, wodurch Gewicht, Größe und Kosten des gesamten Systems reduziert werden und die Topologie das Problem löst Leckstrom, der durch die Gleichtaktspannung (CM) verursacht wird, die auf den parasitären Kondensator des PV-Arrays wirkt. Darüber hinaus bietet es als dreistufige Topologie eine höhere Effizienz als der H-Brücken-basierte Ansatz. Im Allgemeinen wird eine Drei-Ebenen-Topologie sowohl für einphasige als auch für dreiphasige Anwendungen empfohlen, um Oberschwingungen zu minimieren und eine gleichmäßigere Ausgabe zu erzielen. Obwohl mehrstufige Topologien komplexere Steuerungen erfordern, bieten sie eine bessere Leistung und Effizienz.

Das NXH75M65L4Q1 ist ein IGBT-Modul im Q1-Gehäuse mit einer dreistufigen H6.5-Topologie, das sechs 75 A, 650 V IGBTs, fünf 50 A, 650 V Stealth-Dioden und einen Thermistor enthält. Der NXH75M65L4Q1 ist ein schnell schaltender Field Stop 4 Trench IGBT mit niedrigem VCE (SAT) und geringem Schaltverlust, eine modulare Lösung in einem Layout mit niedriger Induktivität und geschweißten Stiften. Zu den gängigen Endprodukten gehören Solarwechselrichter für den Haushalt (einphasige Stromversorgung), USV (einphasige Stromversorgung) und Energiespeichersysteme (einphasige Stromversorgung).

On bietet auch Silizium-IGBTs mit einer Nennspannung von 600 V und 650 V an, die über eine schmale Mesa-Field-Stop-4-Technologie (FS4) mit breiter Rillenbreite, Latch-Immunität und kleinerer Gate-Kapazität verfügen. Die Feldabschaltschicht erhöht die Sperrleistung und verringert die Dicke der Driftschicht, was wiederum die Leitungs- und Schaltenergieverluste auf unter 30 J/A reduziert. Außerdem wird der Wärmewiderstand reduziert, was kleinere Chip- und Gehäusegrößen ermöglicht. Das FS4-IGBT-Design weist im 4-kW-Aufwärtswandler eine bessere Leistungseffizienz bei geringer Last auf als das Field Stop 3 (FS3)-Design und eine bessere Leistung als Mitbewerber in derselben Klasse. Diese Merkmale tragen zur Realisierung von Solarwechselrichtern mit höherer Energieeffizienz bei.

 

Siliziumkarbid steigert die Leistung des Sonnensystems

 

 

Die SiC-MOSFETs von On sind auf Schnelligkeit und Robustheit ausgelegt und bieten Systemvorteile wie hohe Effizienz sowie reduzierte Systemgröße und -kosten. Mosfets sind Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit isolierten Gates. Trotz ähnlicher Designkomponenten weisen diese Siliziumkarbid-MOSFETs eine höhere Sperrspannung und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium-MOSFETs auf.

SiC-Leistungsbauelemente haben außerdem einen geringeren Zustandswiderstand und eine zehnmal höhere Durchbruchfestigkeit als gewöhnliches Silizium, eine doppelt so hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, eine dreimal höhere Bandlücke und eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit. Im Allgemeinen weisen Systeme mit SiC-MOSFETs eine bessere Leistung und einen höheren Wirkungsgrad auf als MOSFETs aus Siliziummaterialien.

Die Wahl von SiC-MOSFETs hat gegenüber Silizium-MOSFETs viele Vorteile, wie z. B. höhere Schaltfrequenzen und höhere Zuverlässigkeit. Auch eine hohe Temperaturentwicklung stellt beim Einsatz von SiC-MOSFET-Modulen kein Problem dar, da diese Geräte auch bei hohen Temperaturen effizient arbeiten. Darüber hinaus profitieren Sie bei SiC-MOSFETs auch von einer kompakteren Produktgröße, da alle Komponenten (Induktivitäten, Filter etc.) kleiner sind. Darüber hinaus sorgen der niedrige Einschaltwiderstand und die kompakte Chipgröße für eine geringe Kapazität und Gate-Ladung. Zu den Systemvorteilen von SiC-MOSFETs gehören daher der höchste Wirkungsgrad, eine schnellere Betriebsfrequenz, eine höhere Leistungsdichte, eine höhere Betriebstemperatur, eine geringere EMI und eine kleinere Systemgröße, was zu höchster Effizienz führt.

Dadurch ermöglichen Geräte aus Siliziumkarbid (SiC) kleinere Wechselrichter in Solaranlagen für Privathaushalte und bieten gleichzeitig eine bessere Leistung als Geräte auf Siliziumbasis. Die diskreten 650-V-EliteSiC-MOSFETs von ON haben einen niedrigen RDS(ON) sowohl im VGS- als auch im Temperaturbereich und können mit einer negativen Gate-Spannung betrieben werden, was die Rauschfestigkeit verbessert und falsches Ein-Aus beim Einsatz in Brückentopologien vermeidet.

  

Umfassende Tools beschleunigen die Produktentwicklung

 

On bietet außerdem ein breites Portfolio an Produkten und Tools zur Vereinfachung der Geräteauswahl für Solarsysteme, einschließlich der Einführung des Referenzdesigns SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 40 W SiC-Hochspannungs-Hilfsstromversorgung, das alles enthält, was zur Produktbeschleunigung erforderlich ist Entwicklung (Benutzerhandbuch, Stückliste, Gerber-Dokumentation usw.). On bietet auch SPICE-Modelle für Systemdesigner an, die eine fortgeschrittenere Systembewertung und -entwicklung durchführen möchten, die die Untersuchung des Reverse-Recovery-Verhaltens und parasitärer Effekte auf Schaltkreis-, Modul- und Chipebene sowie thermische Simulation und die Erforschung der Selbsterwärmung ermöglichen Effekte.

Das SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB-Evaluierungsboard ist ein 40-W-SiC-effizientes primärseitiges Hochspannungs-Hilfsnetzteil mit Regelung (PSR), das einen stabilen 15-V-Ausgang und eine 40-W-Leistung über einen weiten Eingangs-Gleichspannungsbereich von 250 V bis 900 V bietet Geeignet für 400V- und 800V-Batteriesysteme.

Das Board verwendet den quasiresonanten Spitzenstrom-PSR-Flyback-Controller NCP1362, kostenoptimierte 3-Pin-SiC-MOSFETs NVHL160N120SC1 mit 160 mOhm und 1200 V und SiC-Dioden FFSP0665B-F085. Dank der hohen Sperrspannungsfähigkeit und des extrem niedrigen Gate-Ladungswerts (34 nC) des SiC-FET werden Schaltverluste erheblich reduziert und die Platine weist einen überlegenen Wirkungsgrad von bis zu 86 % für Anwendungen unter Bedingungen mit niedrigem Leitungseingang auf. Dank der erheblichen Ansteuerfähigkeit des NCP1362-Controllers können SiC-FETs direkt mit 12 V betrieben werden, ohne dass eine Voransteuerung erforderlich ist, was das Layout vereinfacht und die Anzahl der Komponenten reduziert.

Der Flyback-Transformator bietet eine 4-kV-Isolierung und ist optimiert, um Verluste am RCD-Puffer zu minimieren. Dadurch unterdrückt das System effektiv ein Überschwingen der Drain-Spannung auf hohen Leitungen und bietet einen Spielraum von 100 V für SiC-FETs.

 

Abschluss

 
Die Erzeugung und Speicherung von Solarstrom sind wichtige Technologien zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zum Aufbau nachhaltiger Energie für unser tägliches Leben. Um in diesem wachsenden Markt erfolgreich zu sein, benötigen Gerätehersteller flexible Lösungen zur Verbesserung der Energiequalität, Effizienz und Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Installations- und Betriebskosten. Mit einer vollständigen Produktlinie und Entwicklungstools können Gerätehersteller sicher sein, dass ihre Solarprodukte die Effizienz, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit bieten, die erforderlich sind, um die Kundenanforderungen zu niedrigsten Kosten zu erfüllen.