A medida que la caída del costo de los paneles solares y el fortalecimiento de las regulaciones sobre energía libre de carbono conducen a un aumento en las instalaciones de energía solar en todo el mundo, el proceso se está expandiendo desde servicios públicos hasta aplicaciones comerciales y residenciales a gran escala, y el número de sistemas solares residenciales está aumentando. Se espera que crezca significativamente en los próximos cinco años. Estos sistemas proporcionarán energía limpia y verde a los hogares, alimentarán electrodomésticos, cargarán vehículos eléctricos e incluso venderán el exceso de energía a la red. En caso de un corte de energía, también puede garantizar que el suministro eléctrico de la casa no se vea comprometido. Este artículo le presentará los principales componentes y desarrollos tecnológicos de los sistemas solares residenciales, así como las soluciones energéticas introducidas por onsemi.

 

Inversor solar residencial: satisfaga las necesidades de electricidad del hogar

 

Un sistema de inversor solar residencial es una solución de generación y almacenamiento de energía en el hogar que incluye una serie de paneles fotovoltaicos (PV) que generan un voltaje de CC variable y un convertidor elevador que utiliza un método llamado seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), que optimiza la energía capturada en función de la intensidad y dirección de la luz solar, para aumentar ese voltaje a un voltaje de enlace de CC más alto. Luego, el inversor monofásico CC/CA convierte la tensión del enlace CC (normalmente <600 V CC) en tensión CA (120 a 240 V), que luego se conecta a la carga o a la red.

Existen diferentes tipos de inversores solares residenciales, pero los dos más comunes son los microinversores y los inversores en clúster. Los sistemas solares con microinversores utilizan múltiples inversores CC/CA, cada uno de ellos conectado a un único panel fotovoltaico, que normalmente produce hasta 1 kW de potencia de salida. Un sistema inversor en serie combina múltiples entradas de generación de energía fotovoltaica en serie. Sin embargo, conectar varios paneles solares es menos eficiente que un sistema de microinversor, porque si un panel recibe menos luz que los otros paneles de la serie, la producción de todo el sistema se ve afectada. Sin embargo, son más económicos que los sistemas de microinversores, con un inversor por panel.

Los optimizadores de energía (convertidores CC-CC con MPPT integrado) ayudan a mejorar la eficiencia del sistema inversor en grupo, que convierte la tensión CC variable del panel fotovoltaico en una tensión CC fija, lo que significa que la baja salida fotovoltaica de un solo panel no afectará la eficiencia general.

Los sistemas de almacenamiento de baterías (BESS) son fundamentales para los sistemas solares residenciales y, en la mayoría de los casos, la energía se captura cuando menos se necesita: durante el día, cuando la gente no está en casa. El uso de baterías para almacenar energía permite un uso flexible de la electricidad cuando sea necesario (por la noche, cuando la familia está en casa). Un convertidor bidireccional conecta el BESS al sistema solar y, durante el día, el convertidor carga el conjunto de baterías mientras los paneles fotovoltaicos generan electricidad. Por la noche, cuando los paneles no generan electricidad, el convertidor bidireccional libera la energía almacenada en la batería para impulsar la carga.

Para lograr una alta eficiencia, los convertidores CC-CC incluidos en inversores de cadena o microinversores pueden utilizar MPPT para maximizar la energía generada por los paneles fotovoltaicos en diferentes condiciones ambientales. Los convertidores CC-CC pueden basarse en una variedad de topologías aisladas y no aisladas; para los convertidores solares residenciales, la topología no aislada más común es el convertidor elevador único y la topología aislada común es el convertidor flyback. Ambas topologías son de bajo costo y tienen factores de forma estrechos. También existen inversores CC-CA, que se pueden construir utilizando una variedad de topologías, pero se debe considerar el peso, el tamaño y el costo del inversor.

Los convertidores CC-CC bidireccionales cargan y descargan las baterías en el sistema de almacenamiento de energía, normalmente utilizando CLLC resonante o topologías de aislamiento de refuerzo de puente activo dual. Admite una amplia gama de voltajes de entrada y salida y utiliza un interruptor de voltaje cero (ZVS) para aumentar la eficiencia, y también brinda seguridad al aislar el paquete de baterías del panel fotovoltaico.

 

Módulos de potencia inversor y amplificador de alta eficiencia

 

Como líder en electrónica de potencia, On Semiconductor tiene una amplia cartera de semiconductores de potencia para sistemas solares residenciales, incluidos MOSFET de silicio de 60 V - 150 V, MOSFET discretos de carburo de silicio de 650 V y IGBT Field Stop 4 de 600 V y 650 V. Y módulo de potencia integrado.

Al comprender que la transformación del sistema energético requiere soluciones con la mayor eficiencia, confiabilidad y seguridad, ON presentó el módulo de integración de potencia inversora (PIM) de ON, que utiliza controladores de puerta, sensores, control y productos de energía periférica de On para asegurar la electrónica de interfaz de red para completar la sistema.

Por ejemplo, al utilizar el convertidor HERIC H6.5 del módulo IGBT NXH75M65L4Q1 de ON en un inversor CC-CA, el diseño elimina la necesidad de transformadores, lo que reduce el peso, el tamaño y el costo de todo el sistema, y ​​la topología resuelve el problema de corriente de fuga causada por el voltaje de modo común (CM) que actúa sobre el condensador parásito del conjunto fotovoltaico. Además, como topología de tres niveles, proporciona una mayor eficiencia que el enfoque basado en puente H. En general, se recomienda una topología de tres niveles para aplicaciones monofásicas y trifásicas para minimizar los armónicos y proporcionar una salida más fluida. Aunque las topologías multinivel requieren controles más complejos, proporcionan mejor rendimiento y eficiencia.

El NXH75M65L4Q1 es un módulo IGBT en encapsulado Q1 con una topología H6.5 de tres niveles que contiene seis IGBT de 75 A y 650 V, cinco diodos Stealth de 50 A y 650 V y un termistor. El NXH75M65L4Q1 es un IGBT de trinchera Field Stop 4 de conmutación rápida con VCE (SAT) bajo y baja pérdida de conmutación, una solución modular en un diseño de baja inductancia con pines soldados. Los productos finales comunes incluyen inversores solares domésticos (fuente de alimentación monofásica), UPS (fuente de alimentación monofásica) y sistemas de almacenamiento de energía (fuente de alimentación monofásica).

On también ofrece IGBT de silicio con clasificación de 600 V y 650 V, que cuentan con una mesa estrecha, tecnología Field Stop 4 (FS4) de gran ancho de ranura con inmunidad al pestillo y capacitancia de puerta más pequeña. La capa de corte de campo aumenta el poder de bloqueo y reduce el espesor de la capa de deriva, lo que a su vez reduce las pérdidas de energía de conducción y conmutación a menos de 30 J/A. También reduce la resistencia térmica, lo que permite tamaños de chips y paquetes más pequeños. El diseño FS4 IGBT exhibe una mejor eficiencia energética con carga ligera que el diseño Field Stop 3 (FS3) en el convertidor elevador de 4 kW, con mejor rendimiento que los competidores de la misma clase, y estas características contribuyen a la realización de inversores solares de mayor eficiencia energética.

 

El carburo de silicio aumenta el rendimiento del sistema solar

 

 

Los MOSFET de SiC de On están diseñados para ser rápidos y robustos, proporcionando beneficios al sistema como alta eficiencia y reducción de tamaño y costo del sistema. Los Mosfets son transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico con puertas aisladas y, a pesar de componentes de diseño similares, estos MOSFET de carburo de silicio tienen un voltaje de bloqueo más alto y una conductividad térmica más alta que los MOSFET de silicio.

Los dispositivos de potencia de SiC también tienen una resistencia de estado más baja y 10 veces la resistencia a la rotura del silicio ordinario, la velocidad de saturación de electrones es 2 veces mayor, la banda prohibida es 3 veces mayor y la conductividad térmica es 3 veces mayor. En general, los sistemas que utilizan MOSFET de SiC tienen mejor rendimiento y mayor eficiencia que los MOSFET fabricados con materiales de silicio.

La elección de MOSFET de SiC tiene muchas ventajas sobre los MOSFET de silicio, como frecuencias de conmutación más altas y mayor confiabilidad. El desarrollo de altas temperaturas tampoco es un problema cuando se utilizan módulos MOSFET de SiC, ya que estos dispositivos funcionan de manera eficiente incluso a altas temperaturas. Además, con los MOSFET de SiC, también puede beneficiarse de un tamaño de producto más compacto, ya que todos los componentes (inductores, filtros, etc.) son más pequeños. Además, la baja resistencia de encendido y el tamaño compacto del chip garantizan una baja capacitancia y carga de puerta. Por lo tanto, los beneficios del sistema de los MOSFET de SiC incluyen la mayor eficiencia, una frecuencia operativa más rápida, una mayor densidad de potencia, una temperatura operativa más alta, una EMI más baja y un tamaño de sistema más pequeño, lo que proporciona la mayor eficiencia.

Como resultado, los dispositivos de carburo de silicio (SiC) permiten inversores más pequeños en sistemas solares residenciales y, al mismo tiempo, ofrecen un mejor rendimiento que los dispositivos basados ​​en silicio. Los MOSFET discretos EliteSiC de 650 V de ON tienen un RDS(ON) bajo tanto en VGS como en rangos de temperatura y pueden funcionar con un voltaje de compuerta negativo, lo que mejora la resistencia al ruido y evita falsos encendidos y apagados cuando se usan en topologías de puente.

  

Herramientas integrales aceleran el desarrollo de productos

 

On también ofrece una amplia cartera de productos y herramientas para simplificar la selección de dispositivos para sistemas solares, incluida la introducción del diseño de referencia de fuente de alimentación auxiliar de alto voltaje SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC, que incluye todo lo necesario para acelerar el producto. desarrollo (manual de usuario, lista de materiales, documentación Gerber, etc.). On también ofrece modelos SPICE para diseñadores de sistemas que deseen realizar una evaluación y desarrollo de sistemas más avanzados, que permitan el estudio del comportamiento de recuperación inversa y los efectos parásitos a nivel de circuito, módulo y chip, así como la simulación térmica y la exploración del autocalentamiento. efectos.

La placa de evaluación SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB es una fuente de alimentación auxiliar de alto voltaje con regulación del lado primario (PSR) de SiC eficiente de 40 W diseñada para proporcionar una salida estable de 15 V y una potencia de 40 W en un amplio rango de voltaje de CC de entrada de 250 V a 900 V, lo que la convierte en Adecuado para sistemas de baterías de 400 V y 800 V.

La placa utiliza un controlador flyback PSR de corriente máxima cuasi resonante NCP1362, MOSFET de SiC NVHL160N120SC1 de 160 mOhm y 1200 V de costo optimizado de 3 pines y diodos de SiC FFSP0665B-F085. Gracias a la alta capacidad de voltaje de bloqueo del FET de SiC y al valor de carga de compuerta ultrabaja (34 nC), las pérdidas de conmutación se reducen significativamente y la placa exhibe una eficiencia superior de hasta el 86 % para aplicaciones en condiciones de entrada de línea baja. La importante capacidad de accionamiento del controlador NCP1362 permite que los FET de SiC funcionen directamente a 12 V sin necesidad de un accionamiento previo, lo que simplifica el diseño y reduce la cantidad de componentes.

El transformador flyback proporciona aislamiento de 4 kV y está optimizado para minimizar las pérdidas en el buffer RCD. Como resultado, el sistema suprime eficazmente el exceso de voltaje de drenaje en líneas altas y proporciona un margen de 100 V para FET de SiC.

 

Conclusión

 
La generación y el almacenamiento de energía solar son tecnologías importantes para reducir las emisiones de carbono y generar energía sostenible para nuestra vida diaria. Para tener éxito en este mercado en crecimiento, los fabricantes de equipos necesitan soluciones flexibles para mejorar la calidad, eficiencia y confiabilidad de la energía y al mismo tiempo reducir los costos de instalación y operación. Con una línea completa de productos y herramientas de desarrollo, los fabricantes de equipos pueden estar seguros de que sus productos solares brindarán la eficiencia, confiabilidad y durabilidad necesarias para satisfacer las necesidades de los clientes al menor costo.