優(yōu)化住宅太陽能系統(tǒng)能效、可靠性和成本

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《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》于2022年4月1日起開始實施，其中明確：新建建筑應(yīng)安裝太陽能系統(tǒng)，其中的集熱器設(shè)計使用壽命應(yīng)高于15年，光伏組件設(shè)計使用壽命應(yīng)高于25年。在世界范圍內(nèi)，也有越來越多的國家開始強(qiáng)制要求新住宅安裝太陽能系統(tǒng)。太陽能市場預(yù)計在未來十年內(nèi)將出現(xiàn)驚人的增長也就不足為奇了。預(yù)計 2021 年至 2025 年光伏逆變器市場容量將達(dá)到近 1 太瓦，總市值達(dá) 540 億美元。根據(jù)太陽能行業(yè)研究數(shù)據(jù)，與儲能系統(tǒng)配對的住宅和商業(yè)太陽能系統(tǒng)的百分比正在上升，從 2021 年的 11% 增加到 2025 年的預(yù)期 29%（圖 1）。能源成本增加，而太陽能系統(tǒng)成本在 5 年期間降低約 33% ，推動太陽能住宅市場的增長。

圖 1.太陽能系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)配對的百分比

安森美 (onsemi) 提供廣泛的高功率硅基和碳化硅 (SiC) 分立器件，適用于各種功率水平的住宅、商業(yè)和公用事業(yè)太陽能系統(tǒng)（圖 2）。

圖 2. 用于太陽能系統(tǒng)的安森美功率半導(dǎo)體

住宅太陽能系統(tǒng)：概述

住宅太陽能有很多好處，包括通過可靠清潔的綠色能源為家用電器供電、為電動汽車充電，以及向電網(wǎng)傳輸電力。

住宅太陽能逆變器系統(tǒng)是家用發(fā)電和儲能解決方案。光伏 (PV) 面板陣列產(chǎn)生可變直流電壓。DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器使用最大功率點跟蹤 (MPPT) 將可變電壓提升到直流母線電壓工作水平。MPPT 根據(jù)不同環(huán)境條件下太陽的運動和位置優(yōu)化捕獲的能量。然后該直流母線電壓通過單相 DC/AC 逆變器連接到負(fù)載或電網(wǎng)。該逆變器將來自太陽能面板陣列的直流母線電壓（通常< 600 VDC）轉(zhuǎn)換為 120 VAC 到 240 VAC 范圍內(nèi)的交流電壓。

有幾種住宅太陽能逆變器。最常見的是微型逆變器和組串式逆變器?；谖⑿湍孀兤鞯奶柲芟到y(tǒng)利用多個 DC/AC 逆變器，每個逆變器連接到一個面板，產(chǎn)生不超過 1 kW 的輸出（圖 3）。因為每個面板都有一個逆變器，所以這種方法比組串逆變器方法成本更高。然而，由于每個面板電壓水平都是單獨跟蹤的，因此陣列的整體能效更高。此外，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，因為所需的能量容量決定了所需逆變器的數(shù)量。

圖 3.基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)

基于組串式逆變器的太陽能系統(tǒng)整合了來自串聯(lián)光伏面板的多個輸入，使用 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器中的 MPPT 進(jìn)行優(yōu)化（圖 4）。該系統(tǒng)成本低于基于微型逆變器的系統(tǒng)，并可支持?jǐn)?shù)百伏電壓。然而，由于太陽能面板串聯(lián)連接，因此可能會出現(xiàn)效率低下的情況。例如，如果串聯(lián)中的一個面板處于陰影下，則整個串聯(lián)將受到同等程度的影響。

圖 4.基于串式逆變器的太陽能系統(tǒng)

為了解決這些效率低下問題，用戶可以引入功率優(yōu)化器（圖 5）。功率優(yōu)化器基本上是一個帶有集成 MPPT 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可將來自 PV 面板的可變 DC 電壓轉(zhuǎn)換為固定 DC 電壓。功率優(yōu)化器可以添加到任何單個面板，為用戶提供了一種靈活的方式來適應(yīng)低 PV 輸出，而不會影響其他連接面板的效率。

圖 5.連接到各個面板的功率優(yōu)化器

住宅太陽能系統(tǒng)的另一個重要部分是電池儲能系統(tǒng) (BESS)（圖 6）。對于大多數(shù)住宅用例，能源采集發(fā)生在能源需求較低時（即日照時間和居住者不在家時）。儲能系統(tǒng)會將能量存儲在鋰離子或鉛酸電池中，讓房主在方便時靈活地使用能源（即日落之后和家人在家時）。

將 BESS 連接到太陽能系統(tǒng)就形成了一個雙向轉(zhuǎn)換器。當(dāng)面板發(fā)電時，該轉(zhuǎn)換器可為鋰離子或鉛酸電池陣列充電。當(dāng)面板不產(chǎn)生能量時，例如在夜間，雙向轉(zhuǎn)換器可以釋放存儲的能量來驅(qū)動連接的負(fù)載。即使在電力短缺或停電期間，本地儲能也能確保家庭擁有可靠的供電。通過這種方法，用戶可以采購模塊化儲能系統(tǒng)，它們可以輕松添加到現(xiàn)有太陽能系統(tǒng)中，而無需對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行重大改動。

圖 6.連接到太陽能系統(tǒng)的電池儲能系統(tǒng) (BESS)

DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器

為了實現(xiàn)高效率，包含在組串式或微型逆變器中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用 MPPT 在不同環(huán)境條件下盡可能地提高光伏面板產(chǎn)生的功率。DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以基于各種隔離式和非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于太陽能住宅轉(zhuǎn)換器，最常見的非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單升壓轉(zhuǎn)換器。一種常見的隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是反激式轉(zhuǎn)換器（圖 7）。

單升壓和反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是低成本和纖薄的外形。與對稱升壓和飛跨電容升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，單升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用簡單的電路和簡單的控制算法。

圖 7.用于隔離和非隔離 MPPT DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電源開關(guān)

DC-AC 轉(zhuǎn)換器

逆變器可以基于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于住宅市場，使用的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是 HERIC H6.5 轉(zhuǎn)換器，使用安森美 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊進(jìn)行實施（圖 8）。使用基于 HERIC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)無變壓器設(shè)計，從而降低整體系統(tǒng)重量、尺寸和成本。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以解決由共模 (CM) 電壓作用于光伏陣列的寄生電容引起的漏電流問題。此外，作為三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的效率比基于 H 橋的方法更高。通常，建議對單相和三相應(yīng)用使用 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以最大限度地減少諧波并提供更平滑的輸出。雖然多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要更復(fù)雜的控制，但它們提供了更好的性能和效率。

圖 8.具有 H6.5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊

雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖 9）對包含在本地儲能系統(tǒng)中的電池進(jìn)行充電和放電。該轉(zhuǎn)換器通常是諧振 CLLC 或DAB降壓-升壓隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為太陽能系統(tǒng)部署以下功能：

• 啟用雙向功率流用于電池充電和放電

• 支持寬輸入/輸出電壓范圍

• 通過 ZVS（零電壓開關(guān)）提高效率

• 將電池組與 PV 面板隔離以確保安全

圖 9.雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

安森美電源產(chǎn)品為高效太陽能逆變器帶來價值

作為電力電子領(lǐng)域的佼佼者，安森美擁有住宅太陽能系統(tǒng)所需的各種功率半導(dǎo)體產(chǎn)品組合，包括 60 V - 150 V 的硅 MOSFET、650 V 碳化硅分立式 MOSFET、600 V 和 650 V 場截止 4 IGBT 和集成功率模塊。

安森美在硅 MOSFET 中采用了屏蔽柵極溝槽技術(shù)（圖 10）。這項創(chuàng)新通過在柵極上加入屏蔽多晶硅結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)垂直溝槽設(shè)計，從而降低電阻和電容，從而降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。較低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗有利于太陽能電池陣列和電網(wǎng)之間實現(xiàn)最大功率傳輸。使用較低的動態(tài)電容，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以在較高頻率下運行。而更高的頻率有助于減小外形尺寸和無源組件（即電感）的重量，這對于節(jié)省成本至關(guān)重要。為了增強(qiáng)可靠性，屏蔽柵極技術(shù)采用了內(nèi)部緩沖電路，可抑制開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電壓過沖，從而降低開關(guān)噪聲。

硅 MOSFET 的封裝結(jié)構(gòu)改善了整個系統(tǒng)的散熱。具有低封裝寄生（電阻和電感）特性的高功率密度緊湊型封裝結(jié)構(gòu)采用頂部和底部金屬散熱表面，以控制器件結(jié)溫并提高系統(tǒng)可靠性和壽命。

圖 10.硅 MOSFET 屏蔽柵極溝槽技術(shù)

安森美還提供額定電壓為 600 V 和 650 V 的硅 IGBT。IGBT 采用窄臺面、寬溝槽寬度第4代場截止 (FS4) 技術(shù)，具有閂鎖抗擾度和更小的柵極電容。場截止層增加了阻擋能力并減少了漂移層厚度，進(jìn)而將導(dǎo)通和開關(guān)能量損耗降低到 30 μJ/A 以下。它還可以降低熱阻，從而實現(xiàn)更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT 設(shè)計在 4 kW 升壓轉(zhuǎn)換器中表現(xiàn)出比第3代場截止 (FS3) 設(shè)計更好的輕負(fù)載功率效率，與最佳競品的表現(xiàn)相當(dāng)（圖 11）。

圖 11.4 kW 升壓轉(zhuǎn)換器中的場截止 4 (FS4) 效率

碳化硅的優(yōu)勢

SiC 的優(yōu)勢首先是材料本身具有比硅高 10 倍的介電擊穿場強(qiáng)、高 2 倍的電子飽和速度、高 3 倍的能量禁帶和高 3 倍的熱導(dǎo)率（圖 13）。系統(tǒng)優(yōu)勢體現(xiàn)為盡可能高的效率，通過降低功率損耗，提高功率密度和工作頻率、降低工作溫度和 EMI，以及最重要的降低系統(tǒng)尺寸和成本來實現(xiàn)。

基于 SiC 的太陽能逆變器系統(tǒng)以更小的外形實現(xiàn)了比硅基產(chǎn)品更好的性能。與硅 IGBT 相比，Eon 和 Eoff 損耗在高頻開關(guān)期間顯著降低。此外，與 IGBT 相比，SiC 在溫度范圍內(nèi)的可靠性和穩(wěn)定性更優(yōu)。與超級結(jié) MOSFET 相比，在高開關(guān)頻率下使用 SiC 時，EMI 要低得多。高頻運行期間增強(qiáng)的散熱性能和更低的開關(guān)損耗減少了系統(tǒng)占用面積，從而使逆變器更輕。

圖 12.碳化硅 (SiC) 與硅的比較（資料來源：Yole Development）

安森美 650 V SiC 分立器件相對于競品，在 V_GS 和溫度兩方面都具有更低的 R_ds(ON)（圖 14 和 15）。這些 SiC 組件還能夠以負(fù)柵極電壓驅(qū)動，提高抗噪性并避免半橋中的誤導(dǎo)通。

圖 13.R_DS(ON) 比較（不同 V_GS 時）（PN：NTH4L045N065SC1）

圖 14.在不同的 V_GS 和溫度下比較 R_ds(ON)（PN：NTH4L045N065SC1）

安森美是可提供從襯底到模塊的端到端 SiC 供應(yīng)商之一（圖15）。憑借端到端垂直整合供應(yīng)鏈和我們 SiC 技術(shù)的出色效率，我們?yōu)榭蛻籼峁┧璧墓?yīng)保證，以支持未來快速增長的市場。

安森美 SiC 產(chǎn)品：從襯底到系統(tǒng)

圖 15. 安森美提供從襯底到模塊的端到端 SiC 技術(shù)

安森美助力客戶加速太陽能逆變器系統(tǒng)設(shè)計

與許多應(yīng)用一樣，優(yōu)化戶用太陽能系統(tǒng)的方法并沒有單一的最佳方案。了解不同方法和技術(shù)的優(yōu)勢并做出權(quán)衡并非易事。理想情況下，OEM 需要一個擁有廣泛選項組合并結(jié)合實際行業(yè)專業(yè)知識的合作伙伴，以幫助確定特定應(yīng)用的最佳解決方案。安森美擁有廣泛的產(chǎn)品組合，可大幅簡化太陽能系統(tǒng)的器件選擇。

安森美提供完整的解決方案，如 SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 參考設(shè)計，適用于 40 W SiC 高壓輔助電源。參考設(shè)計提供了快速啟動產(chǎn)品開發(fā)和加快產(chǎn)品上市所需的各種設(shè)計文檔（即用戶手冊、物料清單、Gerber 文件等）。可以通過安森美網(wǎng)站和安森美代理商獲取這些參考設(shè)計。

SPICE 模型也可以提供給系統(tǒng)設(shè)計人員，以進(jìn)行更高級的評估和開發(fā)。Spice 模型有助于研究電路、模塊和管芯層面的反向恢復(fù)行為和寄生效應(yīng)。這些模型還支持熱仿真和自發(fā)熱效應(yīng)的探索。欲了解更多詳情，請訪問太陽能解決方案。

圖 16.太陽能逆變器系統(tǒng)框圖

太陽能發(fā)電和儲能是減少碳排放和為我們的日常生活構(gòu)建可持續(xù)能源的重要技術(shù)。為了在這個不斷增長的市場中取得成功，OEM 需要靈活的解決方案來提高能源質(zhì)量、效率和可靠性，同時降低安裝和運營成本。有了像安森美這樣值得信賴的合作伙伴，OEM 可以確保所用的太陽能產(chǎn)品將以盡可能低的成本提供滿足客戶需求所需的能效、可靠性和耐用性。

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