Poiché il calo dei costi dei pannelli solari e il rafforzamento delle normative sull’energia a zero emissioni di carbonio portano ad un aumento delle installazioni di energia solare in tutto il mondo, il processo si sta espandendo dai servizi pubblici alle applicazioni commerciali fino a quelle residenziali su larga scala, e il numero di sistemi solari residenziali è in aumento. dovrebbe crescere significativamente nei prossimi cinque anni. Questi sistemi forniranno energia pulita e verde alle case, forniranno energia agli elettrodomestici, caricheranno veicoli elettrici e venderanno persino l’energia in eccesso alla rete. In caso di interruzione di corrente, può anche garantire che l'alimentazione elettrica della casa non venga compromessa. Questo articolo ti introdurrà ai principali componenti e agli sviluppi tecnologici dei sistemi solari residenziali, nonché alle soluzioni energetiche introdotte da onsemi.

 

Inverter solare residenziale: soddisfa le esigenze di elettricità domestica

 

Un sistema di inverter solari residenziali è una soluzione domestica per la generazione e lo stoccaggio di energia che comprende una serie di pannelli fotovoltaici (PV) che generano una tensione CC variabile e un convertitore boost che utilizza un metodo chiamato inseguimento del punto di massima potenza (MPPT), che ottimizza il energia catturata in base all'intensità e alla direzione della luce solare, per aumentare quella tensione a una tensione del collegamento CC più elevata. L'inverter CC/CA monofase converte quindi la tensione del collegamento CC (tipicamente <600 V CC) in tensione CA (da 120 a 240 V), che viene quindi collegata al carico o alla rete.

Esistono diversi tipi di inverter solari residenziali, ma i due più comuni sono i micro inverter e gli inverter cluster. I sistemi solari a microinverter utilizzano più inverter CC/CA, ciascuno collegato a un singolo pannello fotovoltaico, producendo in genere fino a 1 kW di potenza in uscita. Un sistema di inverter in serie combina più ingressi di generazione di energia fotovoltaica in serie. Tuttavia, il collegamento di più pannelli solari è meno efficiente di un sistema a microinverter, perché se un pannello riceve meno luce degli altri pannelli della serie, il rendimento dell’intero sistema ne risente. Tuttavia, sono più economici dei sistemi a micro inverter, con un inverter per pannello.

Gli ottimizzatori di potenza (convertitori CC-CC con MPPT integrato) aiutano a migliorare l'efficienza del sistema di inverter a cluster, che converte la tensione CC variabile del pannello fotovoltaico in una tensione CC fissa, il che significa che la bassa potenza FV di un singolo pannello non influirà l'efficienza complessiva.

I sistemi di accumulo delle batterie (BESS) sono fondamentali per i sistemi solari residenziali e, nella maggior parte dei casi, l'energia viene catturata quando meno necessaria, ovvero durante il giorno, quando le persone non sono a casa. L’uso delle batterie per immagazzinare energia consente un uso flessibile dell’elettricità quando necessario (di notte, quando la famiglia è a casa). Un convertitore bidirezionale collega il BESS al sistema solare e durante il giorno carica la batteria mentre i pannelli fotovoltaici generano elettricità. Di notte, quando i pannelli non generano elettricità, il convertitore bidirezionale rilascia l'energia immagazzinata nella batteria per azionare il carico.

Per ottenere un'elevata efficienza, i convertitori DC-DC inclusi negli inverter di stringa o nei microinverter possono utilizzare MPPT per massimizzare la potenza generata dai pannelli fotovoltaici in diverse condizioni ambientali. I convertitori CC-CC possono essere basati su una varietà di topologie isolate e non isolate. Per i convertitori solari residenziali, la topologia non isolata più comune è il convertitore boost singolo e la topologia isolata comune è il convertitore flyback. Entrambe le topologie sono a basso costo e hanno fattori di forma ristretti. Esistono anche inverter DC-AC, che possono essere costruiti utilizzando una varietà di topologie, ma è necessario considerare il peso, le dimensioni e il costo dell'inverter.

I convertitori CC-CC bidirezionali caricano e scaricano le batterie nel sistema di accumulo dell'energia, in genere utilizzando topologie di isolamento CLLC risonante o booster a ponte attivo doppio. Supporta un'ampia gamma di tensioni di ingresso e uscita e utilizza un interruttore a tensione zero (ZVS) per aumentare l'efficienza e fornisce inoltre sicurezza isolando il pacco batteria dal pannello fotovoltaico.

 

Moduli di potenza inverter e booster ad alta efficienza

 

In qualità di leader nell'elettronica di potenza, On Semiconductor offre un ampio portafoglio di semiconduttori di potenza per sistemi solari residenziali, inclusi MOSFET in silicio da 60 V - 150 V, MOSFET discreti in carburo di silicio da 650 V, IGBT Field Stop 4 da 600 V e 650 V. E modulo di alimentazione integrato.

Comprendendo che la trasformazione del sistema energetico richiede soluzioni con la massima efficienza, affidabilità e sicurezza, ON ha introdotto il modulo PIM (Boost e Inverter Power Integration Module), che utilizza i gate driver, i sensori, il controllo e i prodotti di alimentazione periferici di On per proteggere l'elettronica dell'interfaccia di rete per completare il sistema.

Ad esempio, utilizzando il convertitore HERIC H6.5 del modulo IGBT NXH75M65L4Q1 di ON su un inverter CC-CA, il design elimina la necessità di trasformatori, riducendo così il peso, le dimensioni e il costo dell'intero sistema, e la topologia risolve il problema di corrente di dispersione causata dalla tensione di modo comune (CM) che agisce sul condensatore parassita del campo fotovoltaico. Inoltre, essendo una topologia a tre livelli, fornisce un'efficienza maggiore rispetto all'approccio basato su H-bridge. In generale, si consiglia una topologia a tre livelli sia per le applicazioni monofase che trifase per ridurre al minimo le armoniche e fornire un'uscita più uniforme. Sebbene le topologie multilivello richiedano controlli più complessi, forniscono prestazioni ed efficienza migliori.

NXH75M65L4Q1 è un modulo IGBT in package Q1 con una topologia H6.5 a tre livelli contenente sei IGBT da 75 A, 650 V, cinque diodi Stealth da 50 A, 650 V e un termistore. NXH75M65L4Q1 è un IGBT Field Stop 4 Trench a commutazione rapida con VCE (SAT) basso e bassa perdita di commutazione, una soluzione modulare in un layout a bassa induttanza con perni saldati. I prodotti finali comuni includono inverter solari domestici (alimentazione monofase), UPS (alimentazione monofase) e sistemi di accumulo di energia (alimentazione monofase).

On offre anche IGBT in silicio classificati a 600 V e 650 V, che presentano una tecnologia Field Stop 4 (FS4) con mesa stretta e larghezza scanalata ampia con immunità latch e capacità di gate più piccola. Lo strato di interruzione del campo aumenta il potere di blocco e riduce lo spessore dello strato di deriva, che a sua volta riduce le perdite di energia di conduzione e di commutazione al di sotto di 30 J/A. Riduce inoltre la resistenza termica, consentendo dimensioni di chip e package più piccole. Il design IGBT FS4 mostra una migliore efficienza energetica a carico leggero rispetto al design Field Stop 3 (FS3) nel convertitore boost da 4 kW, con prestazioni migliori rispetto ai concorrenti della stessa classe, e queste caratteristiche contribuiscono alla realizzazione di inverter solari con efficienza energetica più elevata.

 

Il carburo di silicio aumenta le prestazioni del sistema solare

 

 

I MOSFET SiC di On sono progettati per essere veloci e robusti, offrendo vantaggi di sistema come alta efficienza e dimensioni e costi ridotti del sistema. I Mosfet sono transistor a effetto di campo semiconduttori a ossido di metallo con gate isolati e, nonostante componenti di progettazione simili, questi MOSFET al carburo di silicio hanno una tensione di blocco e una conduttività termica più elevate rispetto ai MOSFET al silicio.

I dispositivi di potenza SiC hanno anche una resistenza di stato inferiore e una resistenza alla rottura 10 volte superiore a quella del silicio ordinario, la velocità di saturazione degli elettroni è 2 volte superiore, il gap di banda è 3 volte superiore e la conduttività termica è 3 volte superiore. In generale, i sistemi che utilizzano MOSFET SiC hanno prestazioni migliori e un'efficienza più elevata rispetto ai MOSFET realizzati con materiali in silicio.

La scelta dei MOSFET SiC presenta molti vantaggi rispetto ai MOSFET al silicio, come frequenze di commutazione più elevate e maggiore affidabilità. Anche lo sviluppo di alte temperature non è un problema quando si utilizzano moduli MOSFET SiC, poiché questi dispositivi funzionano in modo efficiente anche a temperature elevate. Inoltre, con i MOSFET SiC, puoi anche beneficiare di dimensioni del prodotto più compatte, poiché tutti i componenti (induttori, filtri, ecc.) sono più piccoli. Inoltre, la bassa resistenza in conduzione e le dimensioni compatte del chip garantiscono bassa capacità e carica di gate. Pertanto, i vantaggi di sistema dei MOSFET SiC includono la massima efficienza, una frequenza operativa più rapida, una maggiore densità di potenza, una temperatura operativa più elevata, EMI inferiori e dimensioni del sistema più piccole, garantendo la massima efficienza.

Di conseguenza, i dispositivi al carburo di silicio (SiC) consentono inverter più piccoli nei sistemi solari residenziali fornendo allo stesso tempo prestazioni migliori rispetto ai dispositivi basati sul silicio. I MOSFET discreti EliteSiC da 650 V di ON hanno un basso RDS(ON) sia negli intervalli VGS che in quelli di temperatura e possono essere pilotati con una tensione di gate negativa, che migliora la resistenza al rumore ed evita falsi on-off quando utilizzati in topologie a ponte.

  

Strumenti completi accelerano lo sviluppo del prodotto

 

On offre inoltre un ampio portafoglio di prodotti e strumenti per semplificare la scelta dei dispositivi per i sistemi solari, inclusa l'introduzione del progetto di riferimento dell'alimentatore ausiliario ad alta tensione SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC, che include tutto il necessario per velocizzare la produzione sviluppo (manuale utente, distinta materiali, documentazione Gerber, ecc.). On offre anche modelli SPICE per i progettisti di sistemi che desiderano eseguire una valutazione e uno sviluppo di sistemi più avanzati, che consentono lo studio del comportamento di recupero inverso e degli effetti parassiti a livello di circuito, modulo e chip, nonché la simulazione termica e l'esplorazione dell'autoriscaldamento effetti.

La scheda di valutazione SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB è un alimentatore ausiliario ad alta tensione con regolazione del lato primario (PSR) efficiente SiC da 40 W progettato per fornire un'uscita stabile di 15 V e una potenza di 40 W su un ampio intervallo di tensione CC in ingresso da 250 V a 900 V, rendendolo adatto per sistemi di batterie da 400 V e 800 V.

La scheda utilizza il controller flyback PSR con corrente di picco quasi risonante NCP1362, MOSFET SiC NVHL160N120SC1 a 3 pin da 160 mOhm 1200 V e diodi SiC FFSP0665B-F085. Grazie all'elevata capacità di tensione di blocco del FET SiC e al valore di carica di gate estremamente basso (34 nC), le perdite di commutazione sono significativamente ridotte e la scheda mostra un'efficienza superiore fino all'86% per applicazioni in condizioni di ingresso di linea bassa. La significativa capacità di azionamento del controller NCP1362 consente ai FET SiC di funzionare direttamente a 12 V senza la necessità di un pre-azionamento, semplificando il layout e riducendo il numero di componenti.

Il trasformatore flyback fornisce un isolamento di 4 kV ed è ottimizzato per ridurre al minimo le perdite sul buffer RCD. Di conseguenza, il sistema sopprime efficacemente il superamento della tensione di drain sulle linee alte e fornisce un margine di 100 V per i FET SiC.

 

Conclusione

 
La generazione e lo stoccaggio dell’energia solare sono tecnologie importanti per ridurre le emissioni di carbonio e costruire energia sostenibile per la nostra vita quotidiana. Per avere successo in questo mercato in crescita, i produttori di apparecchiature necessitano di soluzioni flessibili per migliorare la qualità, l’efficienza e l’affidabilità dell’energia, riducendo al tempo stesso i costi di installazione e di esercizio. Con una linea di prodotti completa e strumenti di sviluppo, i produttori di apparecchiature possono essere certi che i loro prodotti solari offriranno l'efficienza, l'affidabilità e la durata necessarie per soddisfare le esigenze dei clienti al costo più basso.