Nu de dalende kosten van zonnepanelen en de versterking van de regelgeving voor koolstofvrije energie leiden tot een toename van het aantal zonne-energie-installaties wereldwijd, breidt het proces zich op grote schaal uit van nutsvoorzieningen naar commerciële naar residentiële toepassingen, en neemt het aantal residentiële zonne-energiesystemen toe. zal naar verwachting de komende vijf jaar aanzienlijk groeien. Deze systemen zullen schone, groene energie aan huizen leveren, apparaten van stroom voorzien, elektrische voertuigen opladen en zelfs overtollige energie terug aan het elektriciteitsnet verkopen. Bij een stroomstoring kan hij er bovendien voor zorgen dat de stroomvoorziening van het huis niet in gevaar komt. Dit artikel laat u kennismaken met de belangrijkste componenten en technologische ontwikkelingen van residentiële zonnesystemen, evenals de stroomoplossingen die door onsemi zijn geïntroduceerd.

 

Residentiële zonne-omvormer: Voldoe aan de elektriciteitsbehoeften van uw huis

 

Een residentieel omvormersysteem voor zonne-energie is een oplossing voor de opwekking en opslag van elektriciteit in huis, die bestaat uit een reeks fotovoltaïsche (PV) panelen die een variabele gelijkspanning genereren, en een boostconverter die een methode gebruikt die Maximum Power Point Tracking (MPPT) wordt genoemd en die de energie-efficiëntie optimaliseert. Opgevangen energie op basis van de intensiteit en richting van het zonlicht, om die spanning op te voeren naar een hogere DC-tussenkringspanning. De eenfasige DC/AC-omvormer zet vervolgens de DC-tussenkringspanning (doorgaans <600 VDC) om naar de AC-spanning (120 tot 240 V), die vervolgens wordt aangesloten op de belasting of het elektriciteitsnet.

Er zijn verschillende soorten residentiële zonne-omvormers, maar de twee meest voorkomende zijn micro-omvormers en clusteromvormers. Zonne-energiesystemen met micro-omvormers maken gebruik van meerdere DC/AC-omvormers, elk aangesloten op een enkel fotovoltaïsch paneel, die doorgaans tot 1 kW uitgangsvermogen produceren. Een serieel invertersysteem combineert meerdere fotovoltaïsche stroomopwekkingsingangen. Het aansluiten van meerdere zonnepanelen is echter minder efficiënt dan een micro-omvormersysteem, want als één paneel minder licht ontvangt dan de andere panelen in de serie, gaat de output van het hele systeem achteruit. Ze zijn echter goedkoper dan micro-omvormersystemen, met één omvormer per paneel.

Power optimizers (DC-DC-converters met geïntegreerde MPPT) helpen de efficiëntie van het clusteromvormersysteem te verbeteren, dat de variabele gelijkspanning van het fotovoltaïsche paneel omzet naar een vaste gelijkspanning, wat betekent dat de lage PV-opbrengst van een enkel paneel geen invloed heeft op de algehele efficiëntie.

Batterijopslagsystemen (BESS) zijn van cruciaal belang voor zonne-energiesystemen in woningen, en in de meeste gevallen wordt energie opgevangen wanneer deze het minst nodig is: overdag, wanneer mensen niet thuis zijn. Het gebruik van batterijen om energie op te slaan maakt flexibel gebruik van elektriciteit mogelijk wanneer dat nodig is ('s nachts als het gezin thuis is). Een tweewegconverter verbindt de BESS met het zonnestelsel en overdag laadt de converter de accureeks op terwijl de fotovoltaïsche panelen elektriciteit opwekken. 's Nachts, wanneer de panelen geen elektriciteit opwekken, geeft de bidirectionele omvormer de in de batterij opgeslagen energie vrij om de belasting aan te drijven.

Om een ​​hoog rendement te bereiken, kunnen DC-DC-converters in stringomvormers of micro-omvormers MPPT gebruiken om het vermogen dat wordt gegenereerd door fotovoltaïsche panelen onder verschillende omgevingsomstandigheden te maximaliseren. DC-DC-converters kunnen gebaseerd zijn op een verscheidenheid aan geïsoleerde en niet-geïsoleerde topologieën. Voor residentiële zonne-energieconverters is de meest voorkomende niet-geïsoleerde topologie de enkele boost-converter, en de gebruikelijke geïsoleerde topologie is de flyback-converter. Beide topologieën zijn goedkoop en hebben smalle vormfactoren. Er zijn ook DC-AC-omvormers, die kunnen worden gebouwd met behulp van verschillende topologieën, maar er moet rekening worden gehouden met het gewicht, de grootte en de kosten van de omvormer.

Bidirectionele DC-DC-converters laden en ontladen de batterijen in het energieopslagsysteem, meestal met behulp van resonante CLLC of dubbele actieve brugversterkerisolatietopologieën. Het ondersteunt een breed scala aan ingangs- en uitgangsspanningen en maakt gebruik van een nulspanningsschakelaar (ZVS) om de efficiëntie te verhogen, en het biedt ook veiligheid door het batterijpakket te isoleren van het fotovoltaïsche paneel.

 

Hoog rendement booster- en invertervermogensmodules

 

Als leider op het gebied van vermogenselektronica heeft On Semiconductor een breed portfolio aan vermogenshalfgeleiders voor residentiële zonne-energiesystemen, waaronder 60 V - 150 V silicium MOSFET's, 650 V siliciumcarbide discrete MOSFET's, 600 V en 650 V Field Stop 4 IGBT's. En geïntegreerde voedingsmodule.

Omdat we begrijpen dat de transformatie van energiesystemen oplossingen met de hoogste efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid vereist, introduceerde ON ON's Boost and Inverter Power Integration Module (PIM), die gebruik maakt van On's poortdrivers, detectie-, controle- en randvoedingsproducten om de netinterface-elektronica te beveiligen om de systeem.

Door bijvoorbeeld de HERIC H6.5-converter van ON's NXH75M65L4Q1 IGBT-module op een DC-AC-omvormer te gebruiken, elimineert het ontwerp de noodzaak voor transformatoren, waardoor het gewicht, de omvang en de kosten van het hele systeem worden verminderd, en de topologie lost het probleem op van lekstroom veroorzaakt door de common-mode (CM)-spanning die inwerkt op de parasitaire condensator van de PV-array. Bovendien biedt het als topologie op drie niveaus een hogere efficiëntie dan de op H-bruggen gebaseerde benadering. Over het algemeen wordt een topologie op drie niveaus aanbevolen voor zowel eenfasige als driefasige toepassingen om harmonischen te minimaliseren en een vloeiendere uitvoer te bieden. Hoewel topologieën met meerdere niveaus complexere besturingselementen vereisen, bieden ze betere prestaties en efficiëntie.

De NXH75M65L4Q1 is een IGBT-module in Q1-pakket met een H6.5-topologie met drie niveaus met zes 75A, 650V IGBT's, vijf 50A, 650V Stealth-diodes en een thermistor. De NXH75M65L4Q1 is een snel schakelende Field Stop 4 Trench IGBT met lage VCE(SAT) en laag schakelverlies, een modulaire oplossing in een lage inductantie-indeling met gelaste pinnen. Veel voorkomende eindproducten zijn onder meer zonne-energie-omvormers voor huishoudelijk gebruik (eenfasige stroomvoorziening), UPS (eenfasige stroomvoorziening) en energieopslagsystemen (eenfasige stroomvoorziening).

On biedt ook silicium IGBT's met een vermogen van 600 V en 650 V, die zijn voorzien van een smalle mesa, Field Stop 4 (FS4)-technologie met brede groefbreedte met grendelimmuniteit en een kleinere poortcapaciteit. De veldafsnijlaag verhoogt het blokkeervermogen en vermindert de dikte van de driftlaag, wat op zijn beurt de geleidings- en schakelenergieverliezen vermindert tot minder dan 30 J/A. Het vermindert ook de thermische weerstand, waardoor kleinere chip- en verpakkingsgroottes mogelijk zijn. Het FS4 IGBT-ontwerp vertoont een betere energie-efficiëntie bij lichte belasting dan het Field Stop 3 (FS3)-ontwerp in de 4 kW boost-converter, met betere prestaties dan concurrenten in dezelfde klasse, en deze kenmerken dragen bij aan de realisatie van zonne-omvormers met een hogere energie-efficiëntie.

 

Siliciumcarbide verbetert de prestaties van het zonnestelsel

 

 

De SiC MOSFET's van On zijn ontworpen om snel en robuust te zijn en systeemvoordelen te bieden, zoals hoge efficiëntie en lagere systeemgrootte en -kosten. Mosfets zijn metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistors met geïsoleerde poorten, en ondanks vergelijkbare ontwerpcomponenten hebben deze siliciumcarbide MOSFET's een hogere blokkeerspanning en een hogere thermische geleidbaarheid dan silicium MOSFET's.

SiC-vermogensapparaten hebben ook een lagere toestandsweerstand en 10 keer de doorslagsterkte van gewoon silicium, de elektronenverzadigingssnelheid is 2 keer hoger, de bandafstand is 3 keer hoger en de thermische geleidbaarheid is 3 keer hoger. Over het algemeen hebben systemen die SiC MOSFET's gebruiken betere prestaties en een hogere efficiëntie dan MOSFET's gemaakt van siliciummaterialen.

Het kiezen van SiC MOSFET's heeft veel voordelen ten opzichte van silicium MOSFET's, zoals hogere schakelfrequenties en hogere betrouwbaarheid. Ontwikkeling bij hoge temperaturen is ook geen probleem bij het gebruik van SiC MOSFET-modules, omdat deze apparaten zelfs bij hoge temperaturen efficiënt werken. Bovendien profiteert u met SiC-MOSFET's ook van een compacter productformaat, omdat alle componenten (inductoren, filters, enz.) kleiner zijn. Bovendien zorgen de lage aan-weerstand en het compacte chipformaat voor een lage capaciteit en poortlading. Daarom omvatten de systeemvoordelen van SiC MOSFET's de hoogste efficiëntie, snellere werkfrequentie, hogere vermogensdichtheid, hogere bedrijfstemperatuur, lagere EMI en kleinere systeemgrootte, waardoor de hoogste efficiëntie wordt geboden.

Als gevolg hiervan maken apparaten op basis van siliciumcarbide (SiC) kleinere omvormers mogelijk in zonne-energiesystemen voor woningen, terwijl ze betere prestaties leveren dan apparaten op basis van silicium. ON's 650 V EliteSiC discrete MOSFET's hebben een lage RDS(ON) in zowel het VGS- als het temperatuurbereik en kunnen worden aangestuurd met een negatieve poortspanning, wat de ruisweerstand verbetert en valse aan-uit vermijdt bij gebruik in brugtopologieën.

  

Uitgebreide tools versnellen de productontwikkeling

 

On biedt ook een breed portfolio aan producten en hulpmiddelen om de apparaatkeuze voor zonne-energiesystemen te vereenvoudigen, waaronder de introductie van het SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC referentieontwerp voor hoogspanningshulpvoeding, dat alles bevat wat nodig is om de productsnelheid te versnellen ontwikkeling (gebruikershandleiding, stuklijst, Gerber-documentatie, etc.). On biedt ook SPICE-modellen voor systeemontwerpers die meer geavanceerde systeemevaluatie en -ontwikkeling willen uitvoeren, die de studie van omgekeerd herstelgedrag en parasitaire effecten op circuit-, module- en chipniveau mogelijk maken, evenals thermische simulatie en de verkenning van zelfverhitting effecten.

Het SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB evaluatiebord is een 40W SiC-efficiënte Primary Side Regulation (PSR) hoogspanningshulpvoeding, ontworpen om een ​​stabiele 15V-uitgang en 40W-vermogen te leveren over een breed DC-ingangsspanningsbereik van 250V tot 900V, waardoor het geschikt voor 400V en 800V accusystemen.

Het bord maakt gebruik van een NCP1362 quasi-resonante PSR-flyback-controller voor piekstroom, 3-pins kostengeoptimaliseerde NVHL160N120SC1 160 mOhm 1200 V SiC MOSFET's en FFSP0665B-F085 SiC-diodes. Dankzij de hoge blokkeerspanning van de SiC FET en de ultralage poortladingswaarde (34 nC) worden schakelverliezen aanzienlijk verminderd en vertoont het bord een superieure efficiëntie tot 86% voor toepassingen onder lage lijningangsomstandigheden. Dankzij de aanzienlijke aandrijfmogelijkheden van de NCP1362-controller kunnen SiC FET's direct op 12 V werken zonder de noodzaak van een vooraandrijving, waardoor de lay-out wordt vereenvoudigd en het aantal componenten wordt verminderd.

De flyback-transformator biedt 4 kV-isolatie en is geoptimaliseerd om verliezen op de RCD-buffer te minimaliseren. Als gevolg hiervan onderdrukt het systeem effectief de overschrijding van de afvoerspanning op hoge lijnen en biedt het een marge van 100 V voor SiC-FET's.

 

Conclusie

 
De opwekking en opslag van zonne-energie zijn belangrijke technologieën voor het verminderen van de CO2-uitstoot en het opbouwen van duurzame energie voor ons dagelijks leven. Om succesvol te zijn in deze groeiende markt hebben fabrikanten van apparatuur flexibele oplossingen nodig om de energiekwaliteit, efficiëntie en betrouwbaarheid te verbeteren en tegelijkertijd de installatie- en bedrijfskosten te verlagen. Met een complete productlijn en ontwikkelingstools kunnen fabrikanten van apparatuur erop vertrouwen dat hun zonne-energieproducten de efficiëntie, betrouwbaarheid en duurzaamheid zullen leveren die nodig zijn om aan de behoeften van de klant te voldoen tegen de laagste kosten.