Aurinkopaneelien hinnan laskun ja hiilineutraaliutta koskevien säädösten tiukentumisen myötä aurinkoenergian asennukset lisääntyvät maailmanlaajuisesti. Prosessi laajenee suurista sähköyhtiöistä kaupallisiin ja asuinrakennusten sovelluksiin suuressa mittakaavassa, ja asuinrakennusten aurinkojärjestelmien määrän odotetaan kasvavan merkittävästi seuraavien viiden vuoden aikana. Nämä järjestelmät tarjoavat puhdasta, vihreää energiaa koteihin, virtaavat laitteille, lataavat sähköajoneuvoja ja jopa myyvät ylimääräisen sähkön takaisin verkkoon. Sähkökatkon sattuessa ne voivat myös varmistaa, ettei talon sähkönsaanti vaarannu. Tässä artikkelissa esitellään asuinrakennusten aurinkojärjestelmien pääkomponentit ja teknologiset kehitykset sekä onsemin tarjoamat energiaratkaisut.
Asuinrakennusten aurinkosähköinvertteri: Täyttää kodin sähkön tarpeet
Asuinrakennusten aurinkosähköinvertterijärjestelmä on kotitalouksien sähköntuotanto- ja varastointiratkaisu, joka sisältää sarjan valosähköisiä (PV) paneeleja, jotka tuottavat vaihtelevaa tasajännitettä, sekä boost-muuntimen, joka käyttää maksimaalisen tehopisteen seuranta (MPPT) -menetelmää optimoidakseen kerätyn energian auringonvalon voimakkuuden ja suunnan perusteella ja nostaa jännitteen korkeammalle tasajännitetasolle. Yksivaiheinen DC/AC-invertteri muuntaa sitten tasajännitteen (tyypillisesti alle 600 VDC) vaihtojännitteeksi (120–240 V), joka liitetään kuormaan tai verkkoon.
Asuinrakennusten aurinkosähköinverttereitä on erilaisia, mutta yleisimmät ovat mikroinvertterit ja klusterinvertterit. Mikroinvertterijärjestelmissä käytetään useita DC/AC-inverttereitä, joista kukin on kytketty yhteen valosähköpaneeliin ja tuottaa tyypillisesti jopa 1 kW:n lähtötehon. Sarjainvertterijärjestelmä yhdistää useita sarjassa olevia valosähköisiä teholähteitä. Useiden paneelien yhdistäminen on kuitenkin vähemmän tehokasta kuin mikroinvertterijärjestelmä, koska jos yksi paneeli saa vähemmän valoa kuin muut sarjassa olevat paneelit, koko järjestelmän teho kärsii. Ne ovat kuitenkin halvempia kuin mikroinvertterijärjestelmät, koska yksi invertteri on yhtä paneelia kohden.
Tehon optimointilaitteet (DC-DC-muuntimet, joissa on integroitu MPPT) parantavat klusterinvertterijärjestelmän tehokkuutta muuntamalla valosähköpaneelin vaihtelevan tasajännitteen kiinteäksi tasajännitteeksi, mikä tarkoittaa, että yksittäisen paneelin alhainen PV-teho ei vaikuta kokonaistehokkuuteen.
Akkukäyttöiset varastointijärjestelmät (BESS) ovat kriittisiä asuinrakennusten aurinkojärjestelmissä, ja useimmiten energiaa kerätään silloin, kun sitä tarvitaan vähiten – päivällä, kun ihmiset eivät ole kotona. Akkujen käyttö energian varastointiin mahdollistaa joustavan sähkön käytön tarpeen mukaan (yöllä, kun perhe on kotona). Kaksisuuntainen muunnin yhdistää BESS:n aurinkojärjestelmään, ja päivällä muunnin lataa akkuja samalla kun valosähköpaneelit tuottavat sähköä. Yöllä, kun paneelit eivät tuota sähköä, kaksisuuntainen muunnin vapauttaa akkuun varastoidun energian kuorman käyttöön.
Korkean tehokkuuden saavuttamiseksi DC-DC-muuntimet, jotka sisältyvät sarjainverttereihin tai mikroinverttereihin, voivat käyttää MPPT:tä maksimoidakseen valosähköpaneelien tuottaman tehon erilaisissa ympäristöolosuhteissa. DC-DC-muuntimet voivat perustua erilaisiin eristettyihin ja eristämättömiin topologioihin; asuinrakennusten aurinkomuuntimissa yleisin eristämätön topologia on yksittäinen boost-muunnin ja yleinen eristetty topologia on flyback-muunnin. Molemmat topologiat ovat edullisia ja kapeita. On myös DC-AC-inverttereitä, jotka voidaan rakentaa erilaisilla topologioilla, mutta invertterin paino, koko ja kustannukset on otettava huomioon.
Kaksisuuntaiset DC-DC-muuntimet lataavat ja purkavat akkuja energian varastointijärjestelmässä, tyypillisesti käyttäen resonanssista CLLC- tai dual active bridge -booster-eristystopologiaa. Ne tukevat laajaa tulo- ja lähtöjännitteen aluetta ja käyttävät nollajännitekytkintä (ZVS) tehokkuuden lisäämiseksi, ja ne tarjoavat myös turvallisuutta eristämällä akkuryhmän valosähköpaneelista.
Korkean tehokkuuden boosteri- ja invertteritehomoduulit
Tehoelektroniikan johtajana On Semiconductorilla on laaja valikoima tehosemikonduktoreita asuinrakennusten aurinkojärjestelmiin, mukaan lukien 60 V - 150 V piisirum MOSFETit, 650 V piikarbidin erilliset MOSFETit, 600 V ja 650 V Field Stop 4 IGBT:t sekä integroidut tehomoduulit.
Ymmärtäen, että energiajärjestelmän muutos vaatii ratkaisuja, joissa on korkein tehokkuus, luotettavuus ja turvallisuus, ON esitteli ON:n Boost- ja Invertteritehointegraatiomoduulin (PIM), joka käyttää Onin porttiohjaimia, antureita, ohjausta ja oheisteho-tuotteita varmistaakseen verkkoon liitettävän elektroniikan järjestelmän täydentämiseksi.
Esimerkiksi käyttämällä ON:n NXH75M65L4Q1 IGBT-moduulin HERIC H6.5 -muunninta DC-AC-invertterissä suunnittelu poistaa muuntajien tarpeen, mikä vähentää koko järjestelmän painoa, kokoa ja kustannuksia, ja topologia ratkaisee vuotovirran ongelman, joka johtuu yleismoodijännitteestä (CM), joka vaikuttaa PV-järjestelmän parasiittikondensaattoriin. Lisäksi kolmitasoinen topologia tarjoaa korkeamman tehokkuuden kuin H-sillan lähestymistapa. Yleisesti ottaen kolmitasoista topologiaa suositellaan sekä yksivaiheisiin että kolmivaiheisiin sovelluksiin harmonisten yliaaltojen minimoimiseksi ja tasaisemman lähtösignaalin tuottamiseksi. Vaikka monitasoiset topologiat vaativat monimutkaisempaa ohjausta, ne tarjoavat paremman suorituskyvyn ja tehokkuuden.
NXH75M65L4Q1 on Q1-koteloitu IGBT-moduuli, jossa on kolmitasoinen H6.5-topologia, joka sisältää kuusi 75A, 650V IGBT:tä, viisi 50A, 650V Stealth-diodia ja termistorin. NXH75M65L4Q1 on nopea kytkentäinen Field Stop 4 Trench IGBT, jolla on alhainen VCE(SAT) ja alhainen kytkentähäviö, modulaarinen ratkaisu matalainduktanssisessa rakenteessa hitsatuilla nastoilla. Yleisiä loppukäyttökohteita ovat kotitalouksien aurinkoinvertterit (yksivaiheinen virtalähde), UPS-laitteet (yksivaiheinen virtalähde) ja energian varastointijärjestelmät (yksivaiheinen virtalähde).
On tarjoaa myös 600 V ja 650 V piisirum IGBT:tä, joissa on kapea mesa, leveä uritettu Field Stop 4 (FS4) -teknologia, joka tarjoaa lukitusvastuksen ja pienemmän porttikapasitanssin. Kentän katkaisukerros lisää jännitteenkestävyyttä ja vähentää driftikerroksen paksuutta, mikä puolestaan vähentää johtamis- ja kytkentäenergiahäviöitä alle 30 J/A. Se myös alentaa lämpövastusta, mahdollistaen pienemmät siru- ja kotelokoot. FS4 IGBT -suunnittelu tarjoaa paremman kevyen kuorman tehon tehokkuuden kuin Field Stop 3 (FS3) -suunnittelu 4 kW boost-muuntimessa, paremmalla suorituskyvyllä kuin kilpailijat samassa luokassa, ja nämä ominaisuudet edistävät tehokkaampien aurinkoinverttereiden toteutumista.
Piikarbidilla parannetaan aurinkojärjestelmän suorituskykyä
Onin SiC MOSFETit on suunniteltu nopeiksi ja kestäviksi, tarjoten järjestelmälle etuja kuten korkean tehokkuuden sekä pienemmän koon ja kustannukset. MOSFETit ovat metallioksidi-puolijohde-kenttävaikutustransistoreita, joissa on eristetyt portit, ja vaikka suunnittelukomponentit ovat samankaltaiset, nämä piikarbidin MOSFETit kestävät korkeampaa jännitettä ja niillä on parempi lämmönjohtavuus kuin piisirum MOSFETeillä.
SiC-teholaitteilla on myös alhaisempi tilavastus ja kymmenkertainen murtolujuus tavalliseen piihin verrattuna, elektronien kyllästymisnopeus on kaksinkertainen, kapeakaista on kolminkertainen ja lämmönjohtavuus kolminkertainen. Yleisesti ottaen SiC MOSFETeillä varustetut järjestelmät tarjoavat paremman suorituskyvyn ja korkeamman tehokkuuden kuin piipohjaiset MOSFETit.
SiC MOSFETien valinnalla on monia etuja piisirum MOSFETeihin verrattuna, kuten korkeammat kytkentätaajuudet ja parempi luotettavuus. Korkean lämpötilan kehitys ei ole ongelma SiC MOSFET -moduuleja käytettäessä, sillä nämä laitteet toimivat tehokkaasti myös korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi SiC MOSFETien avulla voidaan hyötyä kompaktimmasta tuotekoosta, koska kaikki komponentit (induktorit, suodattimet jne.) ovat pienempiä. Lisäksi alhainen päällä oleva vastus ja kompakti sirukoko takaavat alhaisen kapasitanssin ja porttivarauksen. Näin ollen SiC MOSFETien järjestelmäedut sisältävät korkeimman tehokkuuden, nopeamman toimintataajuuden, korkeamman teho tiheyden, korkeamman käyttölämpötilan, alhaisemman EMI:n ja pienemmän järjestelmäkoon, tarjoten parhaan tehokkuuden.
Tuloksena piikarbidilaitteet mahdollistavat pienemmät invertterit asuinrakennusten aurinkojärjestelmissä tarjoten samalla paremman suorituskyvyn kuin piipohjaiset laitteet. ON:n 650 V EliteSiC erilliset MOSFETit omaavat alhaisen RDS(ON) sekä VGS- että lämpötila-alueilla ja ne voidaan ohjata negatiivisella porttijännitteellä, mikä parantaa melunsietoa ja estää virheellisen päälle/pois-kytkennän sillan topologioissa käytettäessä.
Kattavat työkalut nopeuttavat tuotekehitystä
On tarjoaa myös laajan valikoiman tuotteita ja työkaluja, jotka helpottavat laitevalintaa aurinkojärjestelmiin, mukaan lukien SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC korkean jännitteen apuvirtalähteen referenssisuunnittelu, joka sisältää kaiken tarvittavan tuotekehityksen nopeuttamiseksi (käyttöohje, materiaaliluettelo, Gerber-dokumentaatio jne.). On tarjoaa myös SPICE-malleja järjestelmäsuunnittelijoille, jotka haluavat suorittaa edistyneempää järjestelmän arviointia ja kehitystä, mahdollistaen käänteisen palautumiskäyttäytymisen ja parasiittivaikutusten tutkimisen piiri-, moduuli- ja sirutasolla sekä lämpösimulaation ja itsekuumenemisvaikutusten tutkimisen.
SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB arviointikortti on 40W SiC tehokas Primary Side Regulation (PSR) korkean jännitteen apuvirtalähde, joka on suunniteltu tarjoamaan vakaa 15V lähtö ja 40W teho laajalla tulojännitealueella 250V–900V DC, tehden siitä sopivan 400V ja 800V akkukäyttöjärjestelmiin.
Kortti käyttää NCP1362 kvasiresonanssista huippuvirran PSR flyback-ohjainta, 3-nastaisia kustannustehokkaita NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFETejä ja FFSP0665B-F085 SiC-diodeja. SiC FET:in korkean jännitteen kesto-ominaisuuden ja erittäin alhaisen porttivarauksen (34 nC) ansiosta kytkentähäviöt vähenevät merkittävästi, ja kortti saavuttaa jopa 86 % tehokkuuden matalan linjasyötön olosuhteissa. NCP1362-ohjaimen merkittävä ajokyky mahdollistaa SiC FET:ien suoran käytön 12V:lla ilman esiohjausta, mikä yksinkertaistaa piirilevyn suunnittelua ja vähentää komponenttien määrää.
Flyback-muunnin tarjoaa 4 kV eristyksen ja on optimoitu minimoimaan häviöt RCD-puskurissa. Tämän seurauksena järjestelmä tehokkaasti vaimentaa kuormitusjännitteen ylilyönnin korkeilla linjoilla ja tarjoaa 100V marginaalin SiC FET:ille.
Yhteenveto
Aurinkoenergian tuotanto ja varastointi ovat tärkeitä teknologioita hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi ja kestävän energian rakentamiseksi jokapäiväiseen elämäämme. Menestyäkseen tässä kasvavassa markkinassa laitevalmistajat tarvitsevat joustavia ratkaisuja energian laadun, tehokkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi samalla kun asennus- ja käyttökustannukset vähenevät. Täydellisen tuotevalikoiman ja kehitystyökalujen avulla laitevalmistajat voivat olla varmoja siitä, että heidän aurinkotuotteensa tarjoavat tehokkuuden, luotettavuuden ja kestävyyden, joita asiakkaat tarvitsevat alhaisimmilla kustannuksilla.
