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住宅太阳能逆变器系统为家庭提供绿色能源
来源:Onsemi 发布:2024/04/19 浏览量:65

随着太阳能电池板成本的下降和零碳能源法规的加强,导致全球太阳能发电装置的增加,这个过程正在从公用事业到商业,再大规模地拓展到住宅应用上,预计未来五年住宅太阳能系统的数量将大幅增长。这些系统将可为家庭提供清洁绿色能源,为家用电器供电、电动汽车充电,甚至将多余的电力卖回电网。在电网停电时,也可以确保住宅的供电无虞。本文将为您介绍住宅太阳能系统的主要组件与技术发展,以及安森美(onsemi)所推出的电力解决方案。

随着太阳能电池板成本的下降和零碳能源法规的加强,导致全球太阳能发电装置的增加,这个过程正在从公用事业到商业,再大规模地拓展到住宅应用上,预计未来五年住宅太阳能系统的数量将大幅增长。这些系统将可为家庭提供清洁绿色能源,为家用电器供电、电动汽车充电,甚至将多余的电力卖回电网。在电网停电时,也可以确保住宅的供电无虞。本文将为您介绍住宅太阳能系统的主要组件与技术发展,以及安森美(onsemi)所推出的电力解决方案。

 

住宅太阳能逆变器系统满足住宅用电需求

 

住宅太阳能逆变器系统是一种家庭发电和储能解决方案,其包括产生可变直流电压的光伏(PV)面板阵列,升压转换器则使用称为最大功率点跟踪(MPPT)的方法(会根据阳光的强度和方向优化捕获的能量),将该电压提高到更高的直流链路电压。然后,单相DC/AC逆变器将直流链路电压(通常< 600 VDC)转换为交流电压(120至240 V),然后连接到负载或电网。

 

住宅太阳能逆变器有不同类型,但最常见的两种是微型逆变器和组串式逆变器。微型逆变器太阳能系统使用多个DC/AC逆变器,每个逆变器连接到单个光伏面板,通常产生高达1 kW的输出功率。组串式逆变器系统结合了多个串联光伏发电的输入。然而,连接多个太阳能电池板的效率低于微型逆变器系统,因为如果一个电池板接收到的光少于系列中其他电池板的光,整个系统的输出就会受到影响。然而,它们比微型逆变器系统便宜,每个面板都有一个逆变器。

 

功率优化器(具有集成MPPT的DC−DC转换器)则有助于提高组串式逆变器系统的效率,这会将光伏电池板的可变直流电压转换为固定直流电压,这意味着单个电池板的低光伏输出将不会影响整体效率。

 

电池储能系统(BESS)对于住宅太阳能系统至关重要,在大多数情况下,能源是在最不需要的时候捕获的——白天人们不在家的时候。使用电池来存储能量可以在需要时(晚上家人在家时)灵活地使用电力。双向转换器将BESS连接到太阳能系统,白天,当光伏板发电时,转换器为电池阵列充电。晚上,当电池板不发电时,双向转换器会释放电池中存储的能量来驱动负载。

 

为了实现高效率,组串式逆变器或微型逆变器中包含的DC-DC转换器可使用MPPT,在不同环境条件下最大限度地提高光伏电池板产生的功率。DC-DC转换器可以基于各种隔离和非隔离拓扑,对于太阳能住宅转换器,最常见的非隔离拓扑是单升压转换器,常见的隔离拓扑是反激式转换器。这两种拓扑都是低成本的并且具有窄的外形尺寸。另外还有DC-AC逆变器,逆变器可以使用各种拓扑结构构建,但须考虑逆变器的重量、尺寸和成本。

 

双向DC-DC转换器则会对储能系统中的电池进行充电和放电,这通常使用谐振CLLC或双有源桥升降压隔离拓扑。它支持宽输入和输出电压范围,并使用零电压开关(ZVS)来提高效率,它还通过将电池组与光伏面板隔离来提供安全性。

0424-ArrowTimes-onsemi-Article-Block Diagram of Inverter System

提供高效率的升压和逆变器电源集成模块

 

作为电力电子领域的领导者,安森美拥有住宅太阳能系统所需的广泛功率半导体产品组合,其中包括 60 V – 150 V硅MOSFET、650 V碳化硅分立MOSFET、600 V和650 V Field Stop 4 IGBT,以及集成电源模块。

 

安森美理解到能源系统转型需要采用具有最高效率、可靠性和安全性的解决方案,因此推出了安森美的升压和逆变器电源集成模块(PIM),使用安森美的栅极驱动器、传感、控制和外围电源产品来固定电网接口电子器件,从而完善系统。

 

例如在DC-AC逆变器上采用安森美的NXH75M65L4Q1 IGBT模块的HERIC H6.5转换器,该设计不需要变压器,从而减少了整个系统的重量、尺寸和成本,该拓扑解决了由作用于光伏阵列寄生电容的共模(CM)电压引起的漏电流问题。此外,作为三电平拓扑,它比基于H桥的方法提供更高的效率。一般来说,建议单相和三相应用采用三电平拓扑,以最大限度地减少谐波,并提供更平滑的输出。虽然多级拓扑需要更复杂的控制,但它们提供更好的性能和效率。

 

NXH75M65L4Q1是一款采用Q1封装、采用三电平H6.5拓扑的IGBT模块,该模块包含六个75 A、650 V IGBT、五个50 A、650V Stealth二极管和一个热敏电阻。NXH75M65L4Q1是快速开关Field Stop 4 Trench IGBT,具有低VCE(SAT)和低开关损耗,是采用低电感布局的模块化解决方案,具有焊接针脚。常见的最终产品包括户用太阳能逆变器(单相电源)、UPS(单相电源)、储能系统(单相电源)。

 

安森美还提供额定电压为600 V和650 V的硅IGBT,IGBT采用窄台面、宽沟槽宽度的Field Stop 4(FS4)技术,具有锁存抗干扰性和更小的栅极电容。场截止层增加了阻挡能力并减少了漂移层厚度,这反过来又将传导和开关能量损耗降低至30 J/A以下。它还可以降低热阻,从而实现更小的芯片和封装尺寸。FS4 IGBT设计在4kW升压转换器中表现出比Field Stop 3(FS3)设计更好的轻负载功率效率,具备比同等级竞争对手更好的表现,这些功能有助于实现更高功率效率的太阳能逆变器。

0424-ArrowTimes-onsemi-Article-SiC Devices can Enhance Performance

 

碳化硅进一步提高住宅太阳能系统性能

 

安森美的SiC MOSFET设计快速且坚固耐用,具有高效率、减小系统尺寸和成本等系统优势。MOSFET是具有绝缘栅极的金属氧化物半导体场效晶体管,尽管设计元器件相似,但这些碳化硅MOSFET比硅MOSFET具有更高的阻断电压和更高的导热率。

 

SiC功率器件还具有较低的状态电阻和普通硅的10倍击穿强度,电子饱和速度高出2倍,能带隙高出3倍,热导率高出3倍。一般来说,与硅材料制成的MOSFET相比,采用SiC MOSFET的系统具有更好的性能和更高的效率。

 

与硅MOSFET相比,选择SiC MOSFET有许多优点,例如更高的开关频率和更高的可靠性。使用SiC MOSFET模块时,高温开发也不是问题,因为这些器件即使在高温下也能高效运作。此外,使用SiC MOSFET,也可以受益于更紧凑的产品尺寸,因为所有元器件(电感器、滤波器等)都更小。此外,低导通电阻和紧凑的芯片尺寸确保了低电容和栅极电荷。因此,SiC MOSFET的系统优势包括最高效率、更快的工作频率、更高的功率密度、更高的工作温度、更低的EMI,以及更小的系统尺寸,提供最高的效率。

 

因此,碳化硅(SiC)器件可在住宅太阳能系统中实现更小的逆变器,同时提供比硅基器件更好的性能。安森美的650 V EliteSiC分立MOSFET在VGS和温度范围内均具有较低的RDS(ON),并且可以使用负栅极电压进行驱动,从而提高了抗噪性,并避免在桥式拓扑中使用时出现错误导通。

0424-ArrowTimes-onsemi-Article-evaluation board

 

广泛的产品和工具组合加快产品开发速度

 

安森美还提供广泛的产品和工具组合,以简化太阳能系统的器件选择,包括推出SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC高压辅助电源参考设计,其中包括加快产品开发所需的一切(用户手册、物料清单、Gerber文件等),安森美还为希望执行更高级系统评估和开发的系统设计人员提供SPICE模型,通过SPICE模型能够研究电路、模块和芯片级的反向恢复行为和寄生效应,该模型还支持热仿真和自热效应的探索。

 

SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB评估板是40 W SiC高效的初级侧调节(PSR)高压辅助电源,该设计可在250V至900V的宽输入直流电压范围内,提供稳定的15V输出和40W功率,因此适用于400V和800V电池系统。

 

该板采用NCP1362准谐振峰值电流PSR反激控制器、3引脚成本优化型NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET和FFSP0665B-F085 SiC二极管。得益于SiC FET的高阻断电压能力和超低栅极电荷(34 nC)值,开关损耗显着降低,并且该电路板在低线路输入条件下为应用展现了高达86%的卓越效率。NCP1362控制器的显着驱动能力允许SiC FET在12V下直接运行,无需预驱动器,从而简化了布局并减少了元器件数量。

 

反激变压器可提供4 kV隔离,并经过优化以最大限度地减少RCD缓冲器上的损耗。因此,该系统有效地抑制了高线路上的漏极电压过冲,并为SiC FET提供了100V的裕量。 

 

结语

 

太阳能发电和存储是减少碳排放,以及为我们的日常生活构建可持续能源的重要技术。为了在这个不断增长的市场中取得成功,设备制造商需要灵活的解决方案来提高能源质量、效率和可靠性,同时降低安装和运营成本。安森美是值得信赖的合作伙伴,提供完整的产品线与开发工具,设备制造商将可以确信他们的太阳能产品,将可以最低成本满足客户需求所需的效率、可靠性和耐用性。

安森美 物联网 智能家居
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