Alrededor del mundo, las sociedades optan cada vez más por fuentes de energía renovables cuando se encuentran disponibles. Los clientes y las empresas, grandes y pequeñas, consideran a la energía solar como una fuente de energía viable, limpia y conveniente. La recolección de energía solar mediante el uso de paneles fotovoltaicos ofrece un enfoque renovable escalable, ya sea para una instalación compacta en el techo de una casa o sobre una oficina comercial. En este artículo, exploraremos cómo Wolfspeed SiC transforma la infraestructura de la energía solar.
La importancia de una conversión de energía altamente eficaz
Recolectar la energía del sol e invertirla a la tensión estándar de la red de CA involucra varias etapas, cada una de las cuales incurre en algunas pérdidas. Las pérdidas por conversión de energía se manifiestan de diferentes maneras, como calor residual y reducción de tensión, pero en conjunto conducen a una ineficacia en la conversión: se obtiene menos de lo que se aporta.
El diseño de una arquitectura de conversión de energía eficaz es primordial. La reducción de las pérdidas requiere una comprensión profunda de dónde ocurren, lo que incluye las pérdidas del conductor I2R, las pérdidas por conducción de los semiconductores y las que se producen en los componentes pasivos asociados. El calor normalmente es el resultado de una pérdida de energía, y requiere disipación mediante disipadores de calor o enfriamiento por aire forzado, lo que agrega peso y costo adicionales, y aumenta el espacio general. Adicionalmente, el funcionamiento de componentes electrónicos a temperaturas elevadas reduce la confiabilidad del sistema, lo que genera costosos tiempos de inactividad y posibles pérdidas de ingresos.
Los semiconductores basados en silicio han dominado desde el principio, pero la necesidad de una conversión de energía más compacta, eficaz y de menor costo ha impulsado la investigación de nuevas tecnologías de semiconductores. En comparación con el silicio, los materiales de banda ancha prohibida, como el carburo de silicio (SiC), funcionan a frecuencias de conmutación y tensiones más altas, y tienen un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, lo que se traduce en diseños más pequeños y compactos, y una mayor densidad de potencia a nivel del sistema.
Comparación de casos de uso de inversores solares
Los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) basados en silicio se han empleado históricamente como transistores de conmutación de alta potencia dentro de inversores que se usan en sistemas solares y de almacenamiento de energía. Sin embargo, los MOSFET de SiC de 650 V y 1200 V de Wolfspeed y los diodos de SiC asociados ofrecen ventajas significativas, entre las que se encuentra una reducción de 70 % en las pérdidas del sistema, una reducción de peso de 80 % (para un inversor de 60 kW) y una reducción de hasta 15 % en el costo del sistema. Además, los MOSFET de SiC de Wolfspeed tienen características Rds(on) contra la temperatura líderes en la industria y tienen una corriente máxima de recuperación inversa 30 % menor en comparación con sus homólogos de silicio.
En la Figura 1 se ilustra la arquitectura de alto nivel de un inversor solar de 60 kW y un sistema de almacenamiento de energía. Tres etapas funcionales requieren semiconductores de conmutación: un MPPT Boost de 800 Vout, un inversor trifásico de 400 V CA y el cargador de batería/sistema de almacenamiento de energía (ESS) de 400 V. En comparación con los IGBT, un enfoque combinado de MOSFET de SiC y diodo de SiC de Wolfspeed produce una mejora de 3 % en la eficacia general del sistema, lo que representa una reducción de 70 % en las pérdidas del sistema.
Figura 1: la arquitectura funcional de alto nivel de un inversor solar comercial de 60 kW y un sistema de almacenamiento de energía
En la Figura 2 se detallan las ganancias en eficacia, densidad de potencia y reducciones de pérdida de potencia en cada etapa. En el ejemplo, el MOSFET de SiC Wolfspeed funciona a 45 kHz, en comparación con los 16 kHz del IGBT.
Figura 2: comparación en eficacia, densidad de potencia y reducción de pérdida de potencia de los enfoques de SiC, SiC híbrido y solo silicio de Wolfspeed
Los MOSFET de SiC de Wolfspeed, como el dispositivo C3M0040120K de 1200 V que se usa en la sección de refuerzo de 30 kW en la Figura 2, pueden funcionar a frecuencias de conmutación mucho más altas que los IGBT, lo que permite el uso de inductores y componentes capacitivos más pequeños, lo que contribuye aún más a reducir el espacio del inversor. Como complemento a los MOSFET de SiC, los diodos de SiC de Wolfspeed, como el C4D30120H, un diodo Schottky de 1200 V, ofrecen una combinación emparejada eficaz. Los inversores diseñados con diodos de SiC MOSFET y de SiC de Wolfspeed son hasta 80 % más livianos que las unidades basadas en IGBT. Por ejemplo, un inversor IGBT de 60 kW pesa 173 kg (380,6 libras), en comparación con los 33 kg (72,6 libras) de un inversor Wolfspeed basado en carburo de silicio. Esta reducción del peso ofrece una ventaja significativa durante la instalación, ya que se necesitaría una grúa y varias personas para instalar un sistema IGBT. Debido a la reducción del peso, se necesita menos personal para instalar y poner en marcha un inversor de SiC, los costos generales de implementación se reducen y el proceso es mucho más productivo.
Figura 3: Diseñe inversores que sean hasta 80 % más livianos con las soluciones de SiC de Wolfspeed
Los beneficios de usar los MOSFET de SiC de Wolfspeed para un inversor solar trifásico de 60 kW se aplican igualmente a inversores monofásicos más pequeños que se usan en instalaciones solares residenciales. En el inversor residencial, el SiC simplifica el diseño del inversor y con los atributos de pérdida por recuperación reducida del MOSFET de SiC de Wolfspeed, se logran menos pérdidas superiores al 80 %.
En la Figura 4 se ilustran las etapas del convertidor y del inversor boost de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, por sus siglas en inglés) de un inversor residencial monofásico de 7 kW. La función boost es un aspecto clave del diseño de cualquier inversor solar, ya que la tensión de entrada de los paneles puede variar de manera considerable durante el día debido a las condiciones climáticas cambiantes. Al aumentar la tensión de entrada al inversor hasta 400 V constantes, el sistema puede funcionar de manera más eficaz y el inversor entregará una salida confiable de 220 V CA. El inversor de topología Heric usa cuatro MOSFET de SiC Wolfspeed C3M0045065K de 650 V, para reducir las pérdidas, en comparación con el uso de dispositivos IGBT en un 17 %. La función boost usa diodos Schottky de SiC Wolfspeed C6D16065D de 650 V. En comparación con otros diodos de silicio, el diodo Wolfspeed exhibe un cambio por recuperación inversa cero, lo que permite operaciones de conmutación ultrarrápidas, tiene la característica de caída de tensión directa más baja sobre la temperatura y tiene un comportamiento de conmutación independiente de la temperatura.
Figura 4: Las etapas de boost e inversor MPPT de un inversor solar residencial monofásico de 7 kW
Para acelerar el desarrollo de un inversor solar monofásico, Wolfspeed proporciona un diseño de referencia de convertidor boost de 60 kW. El diseño de referencia CRD-60DD12N incluye el esquema, el diseño de PCB y la lista de materiales, y usa los MOSFET de SiC de 1200 V Wolfspeed C3M0075120K y los diodos Schottky de SiC de 1200 V Wolfspeed C4D10120D. El diseño de 60 kW puede funcionar a frecuencias de conmutación de hasta 78 kHz y con una eficacia máxima del 99,5 %.
Recursos de diseño de SiC Wolfspeed
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