Med sjunkande kostnader för solpaneler och skärpta regler för koldioxidfri energi ökar installationerna av solenergi världen över. Processen expanderar från elbolag till kommersiella och sedan till bostadsapplikationer i stor skala, och antalet bostadssolcellssystem förväntas öka avsevärt under de kommande fem åren. Dessa system kommer att förse hem med ren, grön energi, driva apparater, ladda elfordon och till och med sälja överskottsenergi tillbaka till nätet. Vid strömavbrott kan de också säkerställa att husets strömförsörjning inte äventyras. Denna artikel introducerar de viktigaste komponenterna och teknologiska utvecklingarna för bostadssolcellssystem samt de kraftlösningar som onsemi erbjuder.
Bostadssolcellinverterare: Tillgodose hemmets elbehov
Ett bostadssolcellinvertersystem är en lösning för elproduktion och lagring i hemmet som inkluderar en rad fotovoltaiska (PV) paneler som genererar en variabel likspänning, samt en boost-omvandlare som använder en metod kallad maximum power point tracking (MPPT) för att optimera den fångade energin baserat på solens intensitet och riktning, och höjer spänningen till en högre likspänningsnivå. Den enfasiga DC/AC-invertern omvandlar sedan likspänningen (vanligtvis < 600 VDC) till växelspänning (120 till 240 V), som sedan kopplas till belastningen eller nätet.
Det finns olika typer av bostadssolcellinverterare, men de två vanligaste är mikroinverterare och klusterinverterare. Mikroinvertersystem använder flera DC/AC-inverterare, var och en kopplad till en enskild fotovoltaisk panel, vanligtvis med en uteffekt på upp till 1 kW. Ett serieinvertersystem kombinerar flera seriekopplade fotovoltaiska ingångar. Att koppla flera solpaneler är dock mindre effektivt än ett mikroinvertersystem, eftersom om en panel får mindre ljus än de andra i serien påverkas hela systemets uteffekt. De är dock billigare än mikroinvertersystem, med en inverter per panel.
Kraftoptimerare (DC-DC-omvandlare med integrerad MPPT) hjälper till att förbättra effektiviteten i klusterinvertersystemet, som omvandlar den variabla likspänningen från den fotovoltaiska panelen till en fast likspänning, vilket innebär att låg PV-utgång från en enskild panel inte påverkar den totala effektiviteten.
Batterilagringssystem (BESS) är avgörande för bostadssolcellssystem, och i de flesta fall fångas energi när den behövs som minst – under dagen när folk inte är hemma. Genom att använda batterier för att lagra energi möjliggörs flexibel användning av elektricitet när det behövs (på natten när familjen är hemma). En tvåvägsomvandlare kopplar BESS till solcellssystemet, och under dagen laddar omvandlaren batteribanken medan de fotovoltaiska panelerna genererar elektricitet. På natten, när panelerna inte genererar elektricitet, frigör den tvåvägsomvandlaren den lagrade energin från batteriet för att driva belastningen.
För att uppnå hög effektivitet kan DC-DC-omvandlare som ingår i stränginverterare eller mikroinverterare använda MPPT för att maximera effekten från fotovoltaiska paneler under olika miljöförhållanden. DC-DC-omvandlare kan baseras på olika isolerade och oisolerade topologier; för bostadssolcellomvandlare är den vanligaste oisolerade topologin enkel boost-omvandlare, och den vanliga isolerade topologin är flyback-omvandlare. Båda topologierna är kostnadseffektiva och har smala formfaktorer. Det finns också DC-AC-inverterare som kan byggas med olika topologier, men vikt, storlek och kostnad måste beaktas.
Tvåvägs DC-DC-omvandlare laddar och urladdar batterierna i energilagringssystemet, vanligtvis med resonanta CLLC- eller dual active bridge booster-isolationstopologier. De stödjer ett brett spann av ingångs- och utgångsspänningar och använder zero voltage switch (ZVS) för att öka effektiviteten, samt ger säkerhet genom att isolera batteripaketet från den fotovoltaiska panelen.
Högpresterande boost- och inverterkraftmoduler
Som ledande inom kraftelektronik har On Semiconductor en bred portfölj av krafthalvledare för bostadssolcellssystem, inklusive 60 V - 150 V kisel MOSFET:ar, 650 V kiselkarbid diskreta MOSFET:ar, 600 V och 650 V Field Stop 4 IGBT:ar samt integrerade kraftmoduler.
Med insikten att energisystemets omvandling kräver lösningar med högsta effektivitet, tillförlitlighet och säkerhet, introducerade ON sin Boost och Inverter Power Integration Module (PIM), som använder Ons gate-drivrutiner, sensorer, styr- och kringutrustningsprodukter för att säkra nätgränssnittselektronik och slutföra systemet.
Exempelvis eliminerar användningen av ON:s NXH75M65L4Q1 IGBT-moduls HERIC H6.5-omvandlare behovet av transformatorer i en DC-AC-inverter, vilket minskar vikt, storlek och kostnad för hela systemet. Topologin löser också problemet med läckström orsakad av common mode (CM) spänning som påverkar den parasitiska kapacitansen i PV-arrayen. Dessutom ger den tre-nivå topologin högre effektivitet än H-bryggans tillvägagångssätt. Generellt rekommenderas en tre-nivå topologi för både enfas- och trefasapplikationer för att minimera harmoniska störningar och ge en jämnare utgång. Även om flernivåtopologier kräver mer komplex styrning, ger de bättre prestanda och effektivitet.
NXH75M65L4Q1 är en IGBT-modul i Q1-förpackning med en tre-nivå H6.5-topologi som innehåller sex 75A, 650V IGBT:ar, fem 50A, 650V Stealth-dioder och en termistor. NXH75M65L4Q1 är en snabbkopplande Field Stop 4 Trench IGBT med låg VCE(SAT) och låg switchförlust, en modulär lösning i en låginduktiv layout med svetsade stift. Vanliga slutprodukter inkluderar hushållssolcellinverterare (enfas strömförsörjning), UPS (enfas strömförsörjning) och energilagringssystem (enfas strömförsörjning).
On erbjuder också kisels IGBT:ar med spänningarna 600 V och 650 V, som har en smal mesa, bred spårbredd Field Stop 4 (FS4) teknik med lås-immunitet och mindre gatekapacitans. Fältavskärningslagret ökar blockeringseffekten och minskar driftlagrets tjocklek, vilket i sin tur minskar lednings- och switchförluster till under 30 J/A. Det minskar också termiskt motstånd, vilket möjliggör mindre chip- och förpackningsstorlekar. FS4 IGBT-designen visar bättre effektivitetsresultat vid lätt belastning än Field Stop 3 (FS3) designen i 4kW boost-omvandlaren, med bättre prestanda än konkurrenter i samma klass, och dessa egenskaper bidrar till att realisera högre effektivitets solcellinverterare.
Kiselkarbid förbättrar solcellssystemets prestanda
Ons SiC MOSFET:ar är designade för att vara snabba och robusta, vilket ger systemfördelar som hög effektivitet och minskad systemstorlek och kostnad. MOSFET:ar är metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer med isolerade grindar, och trots liknande designkomponenter har dessa kiselkarbid MOSFET:ar högre blockspänning och högre termisk ledningsförmåga än kisels MOSFET:ar.
SiC-krafthandlingar har också lägre tillståndsmotstånd och tio gånger högre brytspänning än vanlig kisel, elektronmättnadshastigheten är dubbelt så hög, bandgapet är tre gånger högre och termisk ledningsförmåga är tre gånger högre. Generellt har system som använder SiC MOSFET:ar bättre prestanda och högre effektivitet än MOSFET:ar gjorda av kiselsmaterial.
Att välja SiC MOSFET:ar har många fördelar jämfört med kisels MOSFET:ar, såsom högre switchfrekvenser och högre tillförlitlighet. Utveckling för höga temperaturer är inte heller ett problem med SiC MOSFET-moduler, eftersom dessa enheter fungerar effektivt även vid höga temperaturer. Dessutom kan du med SiC MOSFET:ar dra nytta av en mer kompakt produktstorlek, eftersom alla komponenter (induktorer, filter etc.) är mindre. Låg på-motstånd och kompakt chipstorlek säkerställer också låg kapacitans och gate-laddning. Därför inkluderar systemfördelarna med SiC MOSFET:ar högsta effektivitet, snabbare driftfrekvens, högre effekttäthet, högre driftstemperatur, lägre EMI och mindre systemstorlek, vilket ger högsta effektivitet.
Som ett resultat möjliggör kiselkarbid (SiC) enheter mindre inverterare i bostadssolcellssystem samtidigt som de ger bättre prestanda än kiselsbaserade enheter. ON:s 650 V EliteSiC diskreta MOSFET:ar har lågt RDS(ON) inom både VGS- och temperaturintervall och kan drivas med negativ grindspänning, vilket förbättrar störningsmotstånd och undviker falsk på/av när de används i bryggtopologier.
Omfattande verktyg påskyndar produktutveckling
On erbjuder också en bred portfölj av produkter och verktyg för att förenkla enhetsval för solcellssystem, inklusive introduktionen av SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC högspänningshjälpkraftreferensdesign, som innehåller allt som behövs för att påskynda produktutvecklingen (användarmanual, materiallista, Gerber-dokumentation etc.). On erbjuder även SPICE-modeller för systemdesigners som vill utföra mer avancerad systemutvärdering och utveckling, vilket möjliggör studier av återhämtningsbeteende och parasitiska effekter på krets-, modul- och chipnivå, samt termisk simulering och utforskning av självuppvärmningsfenomen.
SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB utvärderingskort är en 40W SiC effektiv primärsidereglerad (PSR) högspänningshjälpkraftförsörjning designad för att ge en stabil 15V-utgång och 40W effekt över ett brett ingångsspänningsområde från 250V till 900V, vilket gör den lämplig för 400V och 800V batterisystem.
Kortet använder NCP1362 kvasi-resonant peak current PSR flyback-kontroller, 3-stifts kostnadsoptimerade NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET:ar och FFSP0665B-F085 SiC-dioder. Tack vare SiC FET:s höga blockspänningskapacitet och ultralåga gate-laddning (34 nC) minskas switchförluster avsevärt, och kortet uppvisar en överlägsen effektivitet på upp till 86 % vid låga linjeingångsförhållanden. NCP1362-kontrollerns betydande drivkapacitet tillåter SiC FET:ar att drivas direkt vid 12V utan behov av fördrivning, vilket förenklar layout och minskar antalet komponenter.
Flyback-transformatorn ger 4 kV isolering och är optimerad för att minimera förluster i RCD-bufferten. Som ett resultat undertrycker systemet effektivt dräneringsspänningsöverskridanden vid höga linjer och ger en marginal på 100V för SiC FET:ar.
Slutsats
Solenergi och lagring är viktiga teknologier för att minska koldioxidutsläpp och bygga hållbar energi för vår vardag. För att lyckas på denna växande marknad behöver utrustningstillverkare flexibla lösningar för att förbättra energikvalitet, effektivitet och tillförlitlighet samtidigt som installations- och driftskostnader minskas. Med en komplett produktlinje och utvecklingsverktyg kan utrustningstillverkare vara säkra på att deras solprodukter levererar den effektivitet, tillförlitlighet och hållbarhet som krävs för att möta kundernas behov till lägsta kostnad.
