W miarę jak spadające koszty paneli słonecznych oraz zaostrzanie przepisów dotyczących energii zeroemisyjnej prowadzą do wzrostu instalacji energii słonecznej na całym świecie, proces ten rozszerza się od zakładów użyteczności publicznej, przez zastosowania komercyjne, aż po zastosowania mieszkaniowe na dużą skalę, a liczba systemów solarnych w gospodarstwach domowych ma znacznie wzrosnąć w ciągu najbliższych pięciu lat. Systemy te będą dostarczać czystą, zieloną energię do domów, zasilać urządzenia, ładować pojazdy elektryczne, a nawet sprzedawać nadmiar energii z powrotem do sieci. W przypadku awarii zasilania mogą również zapewnić, że dostawa energii do domu nie zostanie przerwana. Ten artykuł przedstawi główne komponenty i rozwój technologiczny systemów solarnych dla gospodarstw domowych, a także rozwiązania energetyczne wprowadzone przez onsemi.
Mieszkalny falownik solarny: Zaspokój potrzeby elektryczne domu
System inwertera słonecznego do użytku domowego to rozwiązanie do generowania i magazynowania energii w domu, które obejmuje zestaw paneli fotowoltaicznych (PV) generujących zmienne napięcie stałe oraz przetwornicę podwyższającą, która wykorzystuje metodę zwaną śledzeniem punktu maksymalnej mocy (MPPT), optymalizującą pozyskiwaną energię na podstawie natężenia i kierunku światła słonecznego, aby podnieść to napięcie do wyższego napięcia stałego. Jednofazowy inwerter DC/AC następnie przekształca napięcie stałe (zwykle < 600 VDC) na napięcie przemienne (120 do 240 V), które jest następnie podłączane do obciążenia lub sieci.
Istnieją różne typy domowych falowników solarnych, ale dwa najczęściej spotykane to mikrofalowniki i falowniki klastrowe. Systemy solarne z mikrofalownikami wykorzystują wiele falowników DC/AC, z których każdy jest podłączony do pojedynczego panelu fotowoltaicznego, zazwyczaj generując do 1 kW mocy wyjściowej. System falowników szeregowych łączy wiele wejść generacji mocy fotowoltaicznej w szeregu. Jednak podłączanie wielu paneli słonecznych jest mniej efektywne niż system mikrofalowników, ponieważ jeśli jeden panel otrzymuje mniej światła niż pozostałe panele w szeregu, wydajność całego systemu spada. Są jednak tańsze niż systemy mikrofalowników, z jednym falownikiem na panel.
Optymalizatory mocy (przetwornice DC-DC z zintegrowanym MPPT) pomagają poprawić wydajność systemu falownika klastrowego, który przekształca zmienne napięcie stałe panelu fotowoltaicznego na stałe napięcie stałe, co oznacza, że niska moc wyjściowa pojedynczego panelu PV nie wpłynie na ogólną wydajność.
Systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) są kluczowe dla domowych systemów solarnych, a w większości przypadków energia jest gromadzona wtedy, gdy jest najmniej potrzebna - w ciągu dnia, gdy ludzie nie są w domu. Wykorzystanie baterii do przechowywania energii pozwala na elastyczne korzystanie z elektryczności w razie potrzeby (w nocy, gdy rodzina jest w domu). Dwukierunkowy przetwornik łączy BESS z systemem solarnym, a w ciągu dnia przetwornik ładuje zestaw baterii, podczas gdy panele fotowoltaiczne generują energię elektryczną. W nocy, gdy panele nie generują energii, dwukierunkowy przetwornik uwalnia energię zgromadzoną w baterii, aby zasilić obciążenie.
Aby osiągnąć wysoką wydajność, przetwornice DC-DC stosowane w falownikach łańcuchowych lub mikrofalownikach mogą wykorzystywać MPPT do maksymalizacji mocy generowanej przez panele fotowoltaiczne w różnych warunkach środowiskowych. Przetwornice DC-DC mogą opierać się na różnych topologiach izolowanych i nieizolowanych; dla przetwornic solarnych do użytku domowego najczęstszą topologią nieizolowaną jest pojedyncza przetwornica podwyższająca (boost), a powszechną topologią izolowaną jest przetwornica flyback. Obie topologie są niskokosztowe i mają wąskie formy. Istnieją również falowniki DC-AC, które można budować przy użyciu różnych topologii, jednak należy uwzględnić wagę, rozmiar i koszt falownika.
Dwukierunkowe przetwornice DC-DC ładują i rozładowują akumulatory w systemie magazynowania energii, zazwyczaj wykorzystując rezonansowe topologie izolacyjne CLLC lub podwójnego aktywnego mostka. Obsługuje szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych oraz stosuje przełącznik zeronapięciowy (ZVS) w celu zwiększenia efektywności, a także zapewnia bezpieczeństwo poprzez izolację pakietu akumulatorów od panelu fotowoltaicznego.
Wysokowydajne moduły zasilające z przetwornicą i wzmacniaczem
Jako lider w dziedzinie elektroniki mocy, On Semiconductor posiada szerokie portfolio półprzewodników mocy do domowych systemów solarnych, w tym krzemowe MOSFET-y 60 V - 150 V, dyskretne MOSFET-y z węglika krzemu 650 V, 600 V i 650 V tranzystory IGBT Field Stop 4 oraz zintegrowany moduł mocy.
Rozumiejąc, że transformacja systemu energetycznego wymaga rozwiązań o najwyższej wydajności, niezawodności i bezpieczeństwie, ON wprowadził moduł integracji mocy Boost i Inverter Power Integration Module (PIM), który wykorzystuje sterowniki bramek, czujniki, kontrolę oraz peryferyjne produkty zasilające firmy ON do zabezpieczenia elektroniki interfejsu sieciowego w celu ukończenia systemu.
Na przykład, używając przetwornika HERIC H6.5 modułu IGBT ON NXH75M65L4Q1 w falowniku DC-AC, projekt eliminuje potrzebę stosowania transformatorów, co zmniejsza wagę, rozmiar i koszt całego systemu, a topologia rozwiązuje problem prądu upływowego spowodowanego przez napięcie wspólnego trybu (CM) działające na pojemność pasożytniczą zestawu PV. Ponadto, jako topologia trójpoziomowa, zapewnia wyższą efektywność niż podejście oparte na mostku H. Ogólnie rzecz biorąc, topologia trójpoziomowa jest zalecana zarówno dla zastosowań jednofazowych, jak i trójfazowych, aby zminimalizować harmoniczne i zapewnić płynniejsze wyjście. Chociaż topologie wielopoziomowe wymagają bardziej złożonych sterowań, oferują lepszą wydajność i efektywność.
NXH75M65L4Q1 to moduł IGBT w obudowie Q1 z topologią trójpoziomową H6.5, zawierający sześć IGBT o parametrach 75A, 650V, pięć diod Stealth 50A, 650V oraz termistor. NXH75M65L4Q1 to szybki przełączający Field Stop 4 Trench IGBT o niskim VCE(SAT) i niskich stratach przełączania, modułowe rozwiązanie w układzie o niskiej indukcyjności z lutowanymi pinami. Typowe produkty końcowe to domowe inwertery solarne (zasilanie jednofazowe), UPS (zasilanie jednofazowe) oraz systemy magazynowania energii (zasilanie jednofazowe).
Firma On oferuje również krzemowe IGBT o napięciu znamionowym 600 V i 650 V, które charakteryzują się wąską mesą, szeroką szerokością rowka oraz technologią Field Stop 4 (FS4) z odpornością na zatrzask i mniejszą pojemnością bramki. Warstwa odcinająca pole zwiększa moc blokowania i zmniejsza grubość warstwy dryfu, co z kolei redukuje straty energii przewodzenia i przełączania do poniżej 30 J/A. Zmniejsza również opór termiczny, co pozwala na mniejsze rozmiary chipów i obudów. Projekt IGBT FS4 wykazuje lepszą efektywność energetyczną przy lekkim obciążeniu niż projekt Field Stop 3 (FS3) w przetworniku podwyższającym 4kW, z lepszą wydajnością niż konkurenci w tej samej klasie, a te cechy przyczyniają się do realizacji bardziej efektywnych energetycznie falowników solarnych.
Węglik krzemu zwiększa wydajność systemu solarnego
Tranzystory MOSFET SiC firmy On są zaprojektowane tak, aby były szybkie i wytrzymałe, oferując korzyści systemowe, takie jak wysoka wydajność oraz zmniejszenie rozmiaru i kosztów systemu. Mosfety to tranzystory polowe z izolowaną bramką wykonane z metalu, tlenku i półprzewodnika, a pomimo podobnych elementów konstrukcyjnych, te tranzystory MOSFET z węglika krzemu mają wyższe napięcie blokujące i wyższą przewodność cieplną niż tranzystory MOSFET z krzemu.
Urządzenia mocy SiC mają również niższą rezystancję stanu i 10 razy wyższą wytrzymałość przebicia niż zwykły krzem, prędkość nasycenia elektronów jest 2 razy wyższa, przerwa energetyczna jest 3 razy większa, a przewodność cieplna jest 3 razy wyższa. Ogólnie rzecz biorąc, systemy wykorzystujące MOSFET-y SiC mają lepszą wydajność i wyższą efektywność niż MOSFET-y wykonane z materiałów krzemowych.
Wybór tranzystorów SiC MOSFET ma wiele zalet w porównaniu z tranzystorami krzemowymi MOSFET, takich jak wyższe częstotliwości przełączania i większa niezawodność. Rozwój w wysokich temperaturach nie stanowi również problemu przy użyciu modułów SiC MOSFET, ponieważ te urządzenia działają efektywnie nawet w wysokich temperaturach. Ponadto, dzięki tranzystorom SiC MOSFET można również skorzystać z bardziej kompaktowego rozmiaru produktu, ponieważ wszystkie komponenty (induktory, filtry itp.) są mniejsze. Dodatkowo niska rezystancja w stanie włączenia i kompaktowy rozmiar układu scalonego zapewniają niską pojemność i ładunek bramki. W związku z tym korzyści systemowe z tranzystorów SiC MOSFET obejmują najwyższą wydajność, szybszą częstotliwość pracy, wyższą gęstość mocy, wyższą temperaturę pracy, niższe EMI oraz mniejszy rozmiar systemu, zapewniając najwyższą efektywność.
W rezultacie urządzenia z węglika krzemu (SiC) umożliwiają stosowanie mniejszych falowników w domowych systemach solarnych, zapewniając jednocześnie lepszą wydajność niż urządzenia oparte na krzemie. Dyskretne MOSFET-y ON EliteSiC o napięciu 650 V charakteryzują się niskim RDS(ON) zarówno w zakresie VGS, jak i temperatury, i mogą być sterowane ujemnym napięciem bramki, co poprawia odporność na zakłócenia i zapobiega fałszywemu włączaniu i wyłączaniu przy użyciu topologii mostkowych.
Kompleksowe narzędzia przyspieszają rozwój produktu
On oferuje również szerokie portfolio produktów i narzędzi ułatwiających wybór urządzeń do systemów solarnych, w tym wprowadzenie referencyjnego projektu zasilacza pomocniczego wysokiego napięcia SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC, który zawiera wszystko, co potrzebne do przyspieszenia rozwoju produktu (instrukcja obsługi, lista materiałów, dokumentacja Gerber itp.). On oferuje także modele SPICE dla projektantów systemów, którzy chcą przeprowadzić bardziej zaawansowaną ocenę i rozwój systemu, co umożliwia badanie zachowania odzysku wstecznego i efektów pasożytniczych na poziomie obwodu, modułu i układu scalonego, a także symulację termiczną i analizę efektów samonagrzewania.
Płytka ewaluacyjna SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB to 40W wydajny zasilacz pomocniczy wysokiego napięcia z regulacją po stronie pierwotnej (PSR) oparty na technologii SiC, zaprojektowany do zapewnienia stabilnego napięcia wyjściowego 15V i mocy 40W w szerokim zakresie napięcia wejściowego DC od 250V do 900V, co czyni go odpowiednim dla systemów bateryjnych 400V i 800V.
Płyta wykorzystuje quasi-rezonansowy kontroler prądu szczytowego PSR flyback NCP1362, 3-pinowe zoptymalizowane kosztowo tranzystory NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET oraz diody FFSP0665B-F085 SiC. Dzięki wysokiej zdolności blokowania napięcia i ultra-niskiej wartości ładunku bramki (34 nC) tranzystorów SiC, straty przełączania są znacznie zredukowane, a płyta wykazuje doskonałą efektywność do 86% w zastosowaniach przy niskim napięciu wejściowym. Znaczna zdolność sterowania kontrolera NCP1362 pozwala na bezpośrednią pracę tranzystorów SiC przy 12V bez potrzeby wstępnego sterowania, co upraszcza układ i zmniejsza liczbę komponentów.
Transformator flyback zapewnia izolację 4 kV i jest zoptymalizowany pod kątem minimalizacji strat na buforze RCD. W rezultacie system skutecznie tłumi przepięcia napięcia drenu na wysokich liniach i zapewnia margines 100 V dla tranzystorów SiC FET.
Wniosek
Generowanie i magazynowanie energii słonecznej to ważne technologie redukujące emisję dwutlenku węgla i budujące zrównoważoną energię dla naszego codziennego życia. Aby odnieść sukces na tym rosnącym rynku, producenci sprzętu potrzebują elastycznych rozwiązań poprawiających jakość energii, wydajność i niezawodność, jednocześnie obniżając koszty instalacji i eksploatacji. Dzięki pełnej linii produktów i narzędziom rozwojowym, producenci sprzętu mogą być pewni, że ich produkty słoneczne zapewnią wydajność, niezawodność i trwałość niezbędne do spełnienia potrzeb klientów przy najniższych kosztach.
