Wolfspeed SiC transforma la infraestructura de energía solar

En todo el mundo, las sociedades están optando cada vez más por fuentes de energía renovable cuando están disponibles. Los consumidores y las empresas, grandes y pequeñas, consideran la energía solar como una fuente de energía viable, limpia y conveniente. La recolección de energía solar mediante 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 energía solar.

La importancia de la conversión de energía altamente eficiente

Captar la energía del sol e invertirla a la tensión estándar de corriente alterna (CA) de la red implica múltiples etapas, cada una conlleva algunas pérdidas. Las pérdidas de conversión de energía se manifiestan de diferentes maneras, como calor residual y una reducción de voltaje, pero en conjunto conducen a una ineficiencia en la conversión; obtienes menos de lo que ingresas.

Diseñar una arquitectura de conversión de energía eficiente es fundamental. Reducir las pérdidas requiere un entendimiento detallado de dónde ocurren, incluyendo las pérdidas en los conductores debido a la resistencia (pérdidas I2R), las pérdidas por conducción en semiconductores y aquellas que se producen en los componentes pasivos asociados. El calor es típicamente el resultado de una pérdida de energía y requiere disipación, utilizando disipadores de calor o enfriamiento por aire forzado, lo que añade peso, costo adicional y aumenta el tamaño general del sistema. Además, operar componentes electrónicos a temperaturas elevadas reduce la fiabilidad del sistema, lo que puede generar 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, eficiente y de menor costo ha impulsado la investigación en nuevas tecnologías de semiconductores. En comparación con el silicio, los materiales de banda ancha, como el carburo de silicio (SiC), operan a frecuencias de conmutación y voltajes más altos y tienen un rango de temperaturas de funcionamiento más amplio, lo que da como resultado diseños más pequeños y compactos, además de una mayor densidad de potencia a nivel del sistema.

Comparación de casos de uso de inversores solares

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) basados en silicio se han empleado históricamente como transistores de conmutación de alta potencia en inversores utilizados en sistemas solares y de almacenamiento de energía. Sin embargo, los MOSFETs de SiC de Wolfspeed de 650 V y 1200 V, junto con los diodos de SiC asociados, ofrecen ventajas significativas, incluyendo una reducción del 70% en las pérdidas del sistema, una reducción del 80% en el peso (para un inversor de 60 kW) y hasta una reducción del 15% en el costo del sistema. Además, los MOSFETs de SiC de Wolfspeed cuentan con características líderes en la industria de Rds(on) frente a la temperatura y presentan una corriente de recuperación inversa pico un 30% menor en comparación con las alternativas de silicio.

Figura 1 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 V de salida, un inversor trifásico de 400 VCA y el cargador de batería/sistema de almacenamiento de energía (ESS) de 400 V. En comparación con IGBTs, un enfoque combinado de MOSFET de SiC y diodo de SiC de Wolfspeed ofrece una mejora del 3% en la eficiencia general del sistema, lo que representa una reducción del 70% en las pérdidas del sistema.

Figura 2 detalla las ganancias en eficiencia, densidad de potencia y reducción de pérdidas de potencia en cada etapa. En el ejemplo, el MOSFET SiC de Wolfspeed funciona a 45 kHz, en comparación con los 16 kHz del IGBT.

Los MOSFETs de SiC de Wolfspeed, como el dispositivo de 1200 V C3M0040120K, utilizado en la sección de refuerzo de 30 kW en la Figura 2, pueden operar a frecuencias de conmutación mucho más altas que los IGBT, lo que permite el uso de inductores y componentes capacitivos más pequeños, contribuyendo aún más a reducir el tamaño del inversor. Complementando los MOSFETs de SiC, los diodos de SiC de Wolfspeed, como el C4D30120H, un diodo Schottky de 1200 V, ofrecen una combinación eficiente en pareja. Los inversores diseñados utilizando MOSFETs de SiC y diodos de SiC de Wolfspeed son hasta un 80% más ligeros que las unidades basadas en IGBT. Por ejemplo, un inversor de IGBT de 60 kW pesa 173 kg (380,6 libras), en comparación con 33 kg (72,6 libras) para un inversor basado en carburo de silicio de Wolfspeed. Esta reducción de peso ofrece una ventaja significativa durante la instalación, ya que se necesitarían una grúa y varios operarios para instalar un sistema de IGBT. Dado el ahorro de peso, se requiere menos personal para instalar y poner en funcionamiento un inversor de SiC, lo que reduce los costos generales de implementación y hace que el proceso sea mucho más productivo.

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 utilizados en instalaciones solares residenciales. En el inversor residencial, el SiC simplifica el diseño del inversor y, con las características de menor pérdida de recuperación de los MOSFET de SiC de Wolfspeed, se logran más del 80 % menos de pérdidas.

La Figura 4 ilustra el convertidor elevador con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y las etapas del inversor de un inversor residencial monofásico de 7 kW. La función de elevación es un aspecto clave en el diseño de cualquier inversor solar, ya que el voltaje de entrada proveniente de los paneles puede variar considerablemente durante el día debido a las cambiantes condiciones climáticas. Al incrementar el voltaje de entrada al inversor hasta un constante 400 V, el sistema puede operar de manera más eficiente, y el inversor entregará una salida confiable de 220 VAC. El inversor con topología Heric utiliza cuatro MOSFET SiC de 650 V Wolfspeed C3M0045065K, para reducir las pérdidas en un 17 % en comparación con dispositivos IGBT. La función de elevación utiliza diodos Schottky SiC de 650 V Wolfspeed C6D16065D. En comparación con otros diodos de silicio, el diodo Wolfspeed presenta una carga de recuperación inversa nula, lo que permite operaciones de conmutación ultrarrápidas, tiene la caída de voltaje directo más baja sobre la característica de temperatura y un comportamiento de conmutación independiente de la temperatura.

Para acelerar el desarrollo de un inversor solar monofásico, Wolfspeed proporciona un diseño de referencia de convertidor elevador de 60 kW. El diseño de referencia CRD-60DD12N incluye el esquema, el diseño de PCB y la lista de materiales (BOM), y utiliza los MOSFETs de SiC de 1200 V C3M0075120K de Wolfspeed y los diodos Schottky de SiC de 1200 V C4D10120D de Wolfspeed. El diseño de 60 kW puede operar a frecuencias de conmutación de hasta 78 kHz y alcanzar hasta un 99.5% de eficiencia máxima.

Recursos de diseño SiC de Wolfspeed

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