Wolfspeed SiC transforme l’infrastructure de l’énergie solaire

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Partout dans le monde, les sociétés optent de plus en plus pour les sources d’énergie renouvelables lorsque celles-ci sont accessibles. Les consommateurs et les entreprises, grandes ou petites, considèrent l’énergie solaire comme une source d’énergie viable, propre et pratique. La collecte d’énergie solaire via des panneaux photovoltaïques offre une approche évolutive des énergies renouvelables, qu’il s’agisse d’une installation compacte sur le toit d’une maison ou au-dessus d’un bureau commercial. Dans cet article, nous allons voir comment Wolfspeed SiC transforme l’infrastructure de l’énergie solaire.

L’importance d’une conversion d’énergie hautement efficace

La récolte de l’énergie solaire et son inversion vers la tension standard du réseau CA impliquent plusieurs étapes, chacune d’elles entraînant des pertes. Les pertes de conversion énergétique se manifestent de différentes manières, telles que la chaleur perdue et une réduction de la tension, mais elles conduisent collectivement à une inefficacité de la conversion ; vous obtenez moins que ce que vous avez investi. 

Il est primordial de concevoir une architecture de conversion énergétique efficace. Pour réduire les pertes, il faut bien comprendre où elles se produisent, notamment les pertes du conducteur I2R, les pertes de conduction du semi-conducteur et celles qui se produisent dans les composants passifs associés. La chaleur est généralement le résultat d’une perte d’énergie et doit être dissipée à l’aide de dissipateurs thermiques ou d’un système de refroidissement à air pulsé, ce qui augmente le poids, le coût et l’encombrement. En outre, l’utilisation de composants électroniques à des températures élevées réduit la fiabilité du système, ce qui entraîne des temps d’arrêt coûteux et une perte potentielle de revenus.

Les semi-conducteurs à base de silicium ont dominé depuis le début, mais la nécessité d’une conversion d’énergie plus compacte, plus efficace et moins coûteuse a stimulé la recherche de nouvelles technologies de semi-conducteurs. Par rapport au silicium, les matériaux à large bande interdite tels que le carbure de silicium (SiC) fonctionnent à des fréquences de commutation et des tensions plus élevées et ont une plage de température de fonctionnement plus large, ce qui permet de concevoir des systèmes plus petits et plus compacts et d’augmenter la densité de puissance au niveau du système.

Comparaison des cas d’utilisation des onduleurs solaires

Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) à base de silicium ont toujours été utilisés comme transistors de commutation à haute puissance à l’intérieur des onduleurs utilisés dans les systèmes solaires et de stockage de l’énergie. Cependant, les MOSFET SiC 650 V et 1 200 V de Wolfspeed et les diodes SiC associées offrent des avantages significatifs, notamment une réduction de 70 % des pertes du système, une réduction de 80 % du poids (pour un onduleur de 60 kW) et jusqu’à 15 % de réduction du coût du système. En outre, les MOSFET SiC de Wolfspeed ont des caractéristiques Rds(on) en fonction de la température qui sont les meilleures de l’industrie et ont un courant de récupération inverse de 30 % inférieur à celui de leurs homologues en silicium.

La figure 1 illustre l’architecture globale d’un onduleur solaire de 60 kW et d’un système de stockage d’énergie. Trois étapes fonctionnelles nécessitent des semi-conducteurs de commutation : un élévateur MPPT de 800 Vout, un onduleur triphasé de 400 Vca et le chargeur de batterie/système de stockage d’énergie de 400 V (ESS). Par rapport aux IGBT, l’approche combinée d’un MOSFET SiC et d’une diode SiC de Wolfspeed permet d’améliorer de 3 % l’efficacité globale du système, ce qui représente une réduction de 70 % des pertes du système.

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Figure 1 : Architecture fonctionnelle globale d’un onduleur solaire commercial de 60 kW et d’un système de stockage d’énergie

La figure 2 détaille les gains en termes d’efficacité, de densité de puissance et de réduction des pertes de puissance à chaque étape. Dans l’exemple, le MOSFET SiC Wolfspeed fonctionne à 45 kHz, contre 16 kHz pour l’IGBT.

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Figure 2 : Comparaison de l’efficacité, de la densité de puissance et de la réduction des pertes de puissance des approches SiC, hybride-SiC et silicium seul de Wolfspeed.

Les MOSFET SiC de Wolfspeed, tels que le dispositif C3M0040120K 1 200 V utilisé dans la section d’élévation de 30 kW de la figure 2, peuvent fonctionner à des fréquences de commutation beaucoup plus élevées que les IGBT, ce qui permet d’utiliser des inductances et des composants capacitifs plus petits, contribuant ainsi à réduire l’encombrement de l’onduleur. En complément des MOSFET SiC, les diodes SiC de Wolfspeed, telles que la C4D30120H, une diode Schottky de 1 200 V, constituent une combinaison efficace. Les onduleurs conçus à l’aide des MOSFET SiC et des diodes SiC de Wolfspeed sont jusqu’à 80 % plus légers que les unités à base d’IGBT. Par exemple, un onduleur IGBT de 60 kW pèse 173 kg (380,6 livres), contre 33 kg (72,6 livres) pour un onduleur Wolfspeed à base de carbure de silicium. Cette réduction de poids offre un avantage de taille lors de l’installation, car une grue ainsi que plusieurs personnes seraient nécessaires pour installer un système IGBT. Compte tenu de la réduction de poids, moins de personnel est nécessaire pour installer et mettre en service un onduleur SiC, les coûts globaux de mise en œuvre sont réduits et le processus est beaucoup plus productif.

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Figure 3 : Concevez des onduleurs jusqu’à 80 % plus légers avec les solutions SiC de Wolfspeed

Les avantages de l’utilisation des MOSFET SiC de Wolfspeed pour un onduleur solaire triphasé de 60 kW s’appliquent aussi aux onduleurs monophasés plus petits utilisés dans les installations solaires résidentielles. Dans l’onduleur résidentiel, le SiC simplifie la conception de l’onduleur et, avec les attributs de perte de récupération réduite du MOSFET SiC de Wolfspeed, on obtient une réduction des pertes de plus de 80 %.

La figure 4 illustre le convertisseur élévateur et les étages d’un onduleur résidentiel monophasé de 7 kW avec suivi du point de puissance maximale (MPPT). La fonction d’élévation est un aspect essentiel de la conception de tout onduleur solaire, car la tension d’entrée des panneaux peut varier considérablement au cours de la journée en raison de l’évolution des conditions météorologiques. En augmentant la tension d’entrée de l’onduleur jusqu’à une valeur constante de 400 V, le système peut fonctionner plus efficacement et l’onduleur fournira une sortie fiable de 220 Vca. L’onduleur de topologie Heric utilise quatre Wolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFET, pour réduire les pertes de 17 % par rapport à l’utilisation de dispositifs IGBT. La fonction d’élévation utilise des diodes Schottky Wolfspeed C6D16065D 650 V SiC. Par rapport à d’autres diodes au silicium, la diode Wolfspeed présente un changement de récupération inverse nul, ce qui permet des opérations de commutation ultra-rapides, présente la plus faible chute de tension directe en fonction de la température et a un comportement de commutation indépendant de la température.

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Figure 4 : Les étages d’élévation MPPT et d’onduleur d’un onduleur solaire résidentiel monophasé de 7 kW

Pour accélérer le développement d’un onduleur solaire monophasé, Wolfspeed propose un modèle de référence de convertisseur élévateur de 60 kW. Le modèle de référence CRD-60DD12N comprend le schéma, la disposition du circuit imprimé et la nomenclature, et utilise les MOSFET SiC Wolfspeed C3M0075120K 1 200 V et les diodes Schottky SiC Wolfspeed C4D10120D 1 200 V. Le modèle de 60 kW peut fonctionner à des fréquences de commutation allant jusqu’à 78 kHz et atteindre un rendement maximal de 99,5 %.

Ressources de conception SiC de Wolfspeed

Commencez dès aujourd’hui à simuler vos conceptions solaires avec le simulateur de conception Wolfspeed SpeedFit™ et constatez les avantages de l’utilisation des MOSFET et des diodes en carbure de silicium de Wolfspeed. SpeedFit offre une interface en ligne facile à utiliser pour exécuter rapidement des simulations qui prévoient les pertes de conduction et de commutation, évaluent comment les performances varient avec Rg, et comparent différents dispositifs et configurations thermiques.

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