Alors que la baisse du coût des panneaux solaires et le renforcement des réglementations sur l'énergie sans carbone entraînent une augmentation des installations d'énergie solaire dans le monde entier, le processus s'étend à grande échelle des applications utilitaires aux applications commerciales et résidentielles, et le nombre de systèmes solaires résidentiels augmente. devrait croître considérablement au cours des cinq prochaines années. Ces systèmes fourniront de l’énergie propre et verte aux maisons, alimenteront les appareils électroménagers, rechargeront les véhicules électriques et revendront même l’excédent d’électricité au réseau. En cas de panne de courant, il peut également garantir que l’alimentation électrique de la maison ne soit pas compromise. Cet article vous présentera les principaux composants et évolutions technologiques des systèmes solaires résidentiels, ainsi que les solutions électriques introduites par onsemi.

 

Onduleur solaire résidentiel : répondre aux besoins en électricité domestique

 

Un système d'onduleur solaire résidentiel est une solution de production et de stockage d'énergie domestique qui comprend un ensemble de panneaux photovoltaïques (PV) qui génèrent une tension continue variable et un convertisseur élévateur qui utilise une méthode appelée suivi du point de puissance maximale (MPPT), qui optimise le l'énergie capturée en fonction de l'intensité et de la direction de la lumière du soleil, pour augmenter cette tension jusqu'à une tension de liaison CC plus élevée. L'onduleur DC/AC monophasé convertit ensuite la tension du circuit intermédiaire (généralement <600 VDC) en tension AC (120 à 240 V), qui est ensuite connectée à la charge ou au réseau.

Il existe différents types d'onduleurs solaires résidentiels, mais les deux plus courants sont les micro-onduleurs et les onduleurs cluster. Les systèmes solaires à micro-onduleurs utilisent plusieurs onduleurs DC/AC, chacun connecté à un seul panneau photovoltaïque, produisant généralement jusqu'à 1 kW de puissance de sortie. Un système d'onduleur en série combine plusieurs entrées de production d'énergie photovoltaïque en série. Cependant, connecter plusieurs panneaux solaires est moins efficace qu'un système de micro-onduleur, car si un panneau reçoit moins de lumière que les autres panneaux de la série, le rendement de l'ensemble du système en souffre. Cependant, ils sont moins chers que les systèmes à micro-onduleurs, avec un onduleur par panneau.

Les optimiseurs de puissance (convertisseurs DC-DC avec MPPT intégré) contribuent à améliorer l'efficacité du système d'onduleurs en grappe, qui convertit la tension continue variable du panneau photovoltaïque en une tension continue fixe, ce qui signifie que la faible production photovoltaïque d'un seul panneau n'affectera pas l’efficacité globale.

Les systèmes de stockage par batterie (BESS) sont essentiels pour les systèmes solaires résidentiels et, dans la plupart des cas, l'énergie est captée au moment où elle est le moins nécessaire, c'est-à-dire pendant la journée, lorsque les gens ne sont pas à la maison. L’utilisation de batteries pour stocker l’énergie permet une utilisation flexible de l’électricité en cas de besoin (la nuit lorsque la famille est à la maison). Un convertisseur bidirectionnel connecte le BESS au système solaire et, pendant la journée, le convertisseur charge le réseau de batteries tandis que les panneaux photovoltaïques produisent de l'électricité. La nuit, lorsque les panneaux ne produisent pas d'électricité, le convertisseur bidirectionnel libère l'énergie stockée dans la batterie pour alimenter la charge.

Pour atteindre un rendement élevé, les convertisseurs DC-DC inclus dans les onduleurs string ou les micro-onduleurs peuvent utiliser MPPT pour maximiser la puissance générée par les panneaux photovoltaïques dans différentes conditions environnementales. Les convertisseurs DC-DC peuvent être basés sur une variété de topologies isolées et non isolées. Pour les convertisseurs solaires résidentiels, la topologie non isolée la plus courante est le convertisseur élévateur unique, et la topologie isolée commune est le convertisseur flyback. Les deux topologies sont peu coûteuses et présentent des facteurs de forme étroits. Il existe également des onduleurs DC-AC, qui peuvent être construits en utilisant diverses topologies, mais le poids, la taille et le coût de l'onduleur doivent être pris en compte.

Les convertisseurs DC-DC bidirectionnels chargent et déchargent les batteries du système de stockage d'énergie, généralement en utilisant des topologies d'isolation CLLC résonnantes ou à double pont actif. Il prend en charge une large gamme de tensions d'entrée et de sortie et utilise un interrupteur à tension nulle (ZVS) pour augmenter l'efficacité. Il assure également la sécurité en isolant la batterie du panneau photovoltaïque.

 

Modules de puissance booster et onduleur à haut rendement

 

En tant que leader de l'électronique de puissance, On Semiconductor propose une large gamme de semi-conducteurs de puissance pour les systèmes solaires résidentiels, notamment des MOSFET au silicium de 60 V à 150 V, des MOSFET discrets en carbure de silicium de 650 V et des IGBT Field Stop 4 de 600 V et 650 V. Et module d'alimentation intégré.

Comprenant que la transformation du système énergétique nécessite des solutions offrant le plus haut rendement, fiabilité et sécurité, ON a présenté le module d'intégration de puissance Boost et Onduleur (PIM), qui utilise les pilotes de grille, les produits de détection, de contrôle et d'alimentation périphérique d'On pour sécuriser l'électronique d'interface du réseau afin de compléter le système.

Par exemple, en utilisant le convertisseur HERIC H6.5 du module IGBT NXH75M65L4Q1 d'ON sur un onduleur DC-AC, la conception élimine le besoin de transformateurs, réduisant ainsi le poids, la taille et le coût de l'ensemble du système, et la topologie résout le problème de courant de fuite provoqué par la tension de mode commun (CM) agissant sur le condensateur parasite du générateur photovoltaïque. De plus, en tant que topologie à trois niveaux, elle offre une efficacité supérieure à celle basée sur un pont en H. En général, une topologie à trois niveaux est recommandée pour les applications monophasées et triphasées afin de minimiser les harmoniques et de fournir une sortie plus fluide. Bien que les topologies multiniveaux nécessitent des contrôles plus complexes, elles offrent de meilleures performances et efficacité.

Le NXH75M65L4Q1 est un module IGBT en boîtier Q1 avec une topologie H6.5 à trois niveaux contenant six IGBT 75 A, 650 V, cinq diodes furtives 50 A, 650 V et une thermistance. Le NXH75M65L4Q1 est un IGBT à 4 tranchées à commutation rapide avec un faible VCE(SAT) et une faible perte de commutation, une solution modulaire dans une disposition à faible inductance avec des broches soudées. Les produits finaux courants comprennent les onduleurs solaires domestiques (alimentation monophasée), les UPS (alimentation monophasée) et les systèmes de stockage d'énergie (alimentation monophasée).

On propose également des IGBT au silicium évalués à 600 V et 650 V, dotés d'une technologie Field Stop 4 (FS4) mesa étroite et à large largeur de rainures avec immunité au verrouillage et capacité de grille plus petite. La couche de coupure de champ augmente le pouvoir de blocage et réduit l'épaisseur de la couche de dérive, ce qui réduit les pertes d'énergie de conduction et de commutation à moins de 30 J/A. Il réduit également la résistance thermique, ce qui permet d'utiliser des puces et des boîtiers de plus petite taille. La conception FS4 IGBT présente une meilleure efficacité énergétique à faible charge que la conception Field Stop 3 (FS3) dans le convertisseur élévateur de 4 kW, avec de meilleures performances que celles des concurrents de la même classe, et ces caractéristiques contribuent à la réalisation d'onduleurs solaires à plus haut rendement énergétique.

 

Le carbure de silicium améliore les performances du système solaire

 

 

Les MOSFET SiC d'On sont conçus pour être rapides et robustes, offrant des avantages système tels qu'un rendement élevé et une taille et un coût réduits du système. Les Mosfets sont des transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur dotés de grilles isolées et, malgré des composants de conception similaires, ces MOSFET en carbure de silicium ont une tension de blocage et une conductivité thermique plus élevées que les MOSFET en silicium.

Les dispositifs d'alimentation SiC ont également une résistance d'état plus faible et une résistance à la rupture 10 fois supérieure à celle du silicium ordinaire, la vitesse de saturation des électrons est 2 fois supérieure, la bande interdite est 3 fois supérieure et la conductivité thermique est 3 fois supérieure. En général, les systèmes utilisant des MOSFET SiC ont de meilleures performances et un rendement plus élevé que les MOSFET fabriqués à partir de matériaux silicium.

Le choix des MOSFET SiC présente de nombreux avantages par rapport aux MOSFET silicium, tels que des fréquences de commutation plus élevées et une plus grande fiabilité. Le développement de températures élevées ne pose pas non plus de problème lors de l'utilisation de modules MOSFET SiC, car ces dispositifs fonctionnent efficacement même à des températures élevées. De plus, avec les MOSFET SiC, vous pouvez également bénéficier d'une taille de produit plus compacte, car tous les composants (inductances, filtres, etc.) sont plus petits. De plus, la faible résistance à l'état passant et la taille compacte de la puce garantissent une faible capacité et une faible charge de grille. Par conséquent, les avantages système des MOSFET SiC incluent un rendement plus élevé, une fréquence de fonctionnement plus rapide, une densité de puissance plus élevée, une température de fonctionnement plus élevée, des EMI plus faibles et une taille de système plus petite, offrant le rendement le plus élevé.

En conséquence, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) permettent d'obtenir des onduleurs plus petits dans les systèmes solaires résidentiels tout en offrant de meilleures performances que les dispositifs à base de silicium. Les MOSFET discrets EliteSiC 650 V d'ON ont un faible RDS(ON) dans les plages VGS et de température et peuvent être pilotés avec une tension de grille négative, ce qui améliore la résistance au bruit et évite les faux marche-arrêt lorsqu'ils sont utilisés dans des topologies en pont.

  

Des outils complets accélèrent le développement de produits

 

On propose également une large gamme de produits et d'outils pour simplifier la sélection de dispositifs pour les systèmes solaires, y compris l'introduction de la conception de référence d'alimentation auxiliaire haute tension SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC, qui comprend tout le nécessaire pour accélérer le développement du produit. développement (manuel d'utilisation, nomenclature, documentation Gerber, etc.). On propose également des modèles SPICE pour les concepteurs de systèmes qui souhaitent effectuer une évaluation et un développement de systèmes plus avancés, permettant l'étude du comportement de récupération inverse et des effets parasites au niveau des circuits, des modules et des puces, ainsi que la simulation thermique et l'exploration de l'auto-échauffement. effets.

La carte d'évaluation SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB est une alimentation auxiliaire haute tension à régulation côté primaire (PSR) SiC efficace de 40 W conçue pour fournir une sortie stable de 15 V et une puissance de 40 W sur une large plage de tension CC d'entrée de 250 V à 900 V, ce qui la rend adapté aux systèmes de batterie 400 V et 800 V.

La carte utilise un contrôleur flyback PSR à courant de crête quasi-résonant NCP1362, des MOSFET SiC NVHL160N120SC1 160 mOhm 1200 V à 3 broches à coût optimisé et des diodes SiC FFSP0665B-F085. Grâce à la capacité de tension de blocage élevée du SiC FET et à la valeur de charge de grille ultra-faible (34 nC), les pertes de commutation sont considérablement réduites et la carte présente un rendement supérieur allant jusqu'à 86 % pour les applications dans des conditions d'entrée de ligne faibles. La capacité de pilotage importante du contrôleur NCP1362 permet aux FET SiC de fonctionner directement à 12 V sans avoir besoin d'un pré-pilotage, ce qui simplifie la configuration et réduit le nombre de composants.

Le transformateur flyback fournit une isolation de 4 kV et est optimisé pour minimiser les pertes sur le tampon RCD. En conséquence, le système supprime efficacement les dépassements de tension de drain sur les lignes hautes et fournit une marge de 100 V pour les FET SiC.

 

Conclusion

 
La production et le stockage d’énergie solaire sont des technologies importantes pour réduire les émissions de carbone et créer une énergie durable pour notre vie quotidienne. Pour réussir sur ce marché en croissance, les fabricants d'équipements ont besoin de solutions flexibles pour améliorer la qualité, l'efficacité et la fiabilité de l'énergie tout en réduisant les coûts d'installation et d'exploitation. Avec une gamme complète de produits et des outils de développement, les fabricants d'équipements peuvent être sûrs que leurs produits solaires offriront l'efficacité, la fiabilité et la durabilité requises pour répondre aux besoins des clients au moindre coût.