Wolfspeed SiC transforme l'infrastructure énergétique solaire

À travers le monde, les sociétés optent de plus en plus pour des sources d'énergie renouvelable lorsque cela est possible. Les consommateurs et les entreprises, grandes ou petites, considèrent l'énergie solaire comme une source d'énergie viable, propre et pratique. La récolte de l'énergie solaire à l'aide de panneaux photovoltaïques offre une approche renouvelable évolutive, que ce soit pour une installation domestique compacte sur le toit ou au-dessus d'un bureau commercial. Dans cet article, nous allons explorer comment le SiC de Wolfspeed transforme l'infrastructure énergétique solaire.

L'importance de la conversion d'énergie hautement efficace

Exploiter l'énergie du soleil et la convertir en tension standard du réseau CA implique plusieurs étapes, chacune générant des pertes. Les pertes de conversion d'énergie se manifestent de diverses manières, telles que la chaleur perdue et une réduction de tension, mais conduisent collectivement à une inefficacité de conversion ; vous obtenez moins d'énergie que vous n'en fournissez.

Concevoir une architecture de conversion d'énergie efficace est primordial. Réduire les pertes nécessite une compréhension approfondie de leurs origines, notamment les pertes conductrices I2R, les pertes de conduction des semi-conducteurs et celles survenant dans les composants passifs associés. La chaleur est généralement le résultat d'une perte d'énergie et nécessite une dissipation, utilisant des dissipateurs thermiques ou un refroidissement par air forcé, ce qui ajoute du poids, des coûts et agrandit l'empreinte globale. De plus, le fonctionnement des composants électroniques à des températures élevées réduit la fiabilité du système, entraînant des interruptions coûteuses 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, efficace et économique a stimulé la recherche dans de nouvelles technologies de semi-conducteurs. Comparés au silicium, les matériaux à gap large comme le carbure de silicium (SiC) fonctionnent à des fréquences de commutation et des tensions plus élevées et présentent une plage de température de fonctionnement plus étendue, offrant ainsi des conceptions plus petites, plus compactes et une densité de puissance au niveau du système supérieure.

Comparaison des cas d'utilisation des onduleurs solaires

Les transistors bipolaires à grille isolée à base de silicium (IGBT) ont historiquement été utilisés comme transistors de commutation haute puissance dans les onduleurs utilisés dans les systèmes solaires et de stockage d'énergie. Cependant, les MOSFET SiC de 650 V et 1200 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 des coûts du système. De plus, les MOSFET SiC de Wolfspeed présentent des caractéristiques Rds(on) leaders dans l'industrie face à la température et affichent un courant de récupération inverse de crête réduit de 30 % par rapport aux équivalents en silicium.

Figure 1 illustre l'architecture de haut niveau 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 MPPT Boost de 800 Vout, un onduleur triphasé de 400 VAC et le chargeur de batterie/système de stockage d'énergie (ESS) de 400 V. Comparé aux IGBT, une approche combinant un MOSFET SiC de Wolfspeed et une diode SiC offre une amélioration de 3 % de l'efficacité globale du système, représentant une réduction de 70 % des pertes du système.

Figure 2 détaille les gains en efficacité, densité de puissance et réductions des pertes de puissance à chaque étape. Dans l'exemple, le Wolfspeed SiC MOSFET fonctionne à 45 kHz, comparé aux 16 kHz de l'IGBT.

Les MOSFETs SiC de Wolfspeed, tels que le C3M0040120K, un dispositif de 1200 V utilisé dans la section boost de 30 kW illustrée dans la Figure 2, peuvent fonctionner à des fréquences de commutation bien plus élevées que les IGBT, permettant l'utilisation de inductances et de composants capacitifs plus petits, contribuant ainsi à réduire l'encombrement de l'onduleur. Complétant les MOSFETs SiC, les diodes SiC de Wolfspeed, telles que la C4D30120H, une diode Schottky de 1200 V, offrent une combinaison efficace en paire. Les onduleurs conçus à l'aide des MOSFETs 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 à base de carbure de silicium Wolfspeed. Cette réduction de poids représente un avantage significatif lors de l'installation, car une grue et plusieurs personnes seraient nécessaires pour installer un système IGBT. Grâce à la réduction de poids, moins de personnel est nécessaire pour installer et mettre en service un onduleur SiC, ce qui réduit les coûts globaux de mise en œuvre et rend le processus bien plus productif.

Les avantages de l'utilisation des MOSFETs SiC de Wolfspeed pour un onduleur solaire triphasé de 60 kW s'appliquent également aux onduleurs monophasés plus petits utilisés dans les installations solaires résidentielles. Dans l'onduleur résidentiel, le SiC simplifie la conception de l'onduleur et, grâce aux faibles pertes de récupération caractéristiques des MOSFETs SiC de Wolfspeed, des pertes réduites de plus de 80 % sont obtenues.

La figure 4 illustre les étapes du convertisseur élévateur avec suivi du point de puissance maximale (MPPT) et de l'onduleur d'un onduleur résidentiel monophasé de 7 kW. La fonction d'élévation est un aspect clé de toute conception d'onduleur solaire, car la tension d'entrée provenant des panneaux peut varier considérablement au cours de la journée en raison des conditions météorologiques changeantes. En élevant la tension d'entrée de l'onduleur à une tension constante de 400 V, le système peut fonctionner plus efficacement, et l'onduleur fournira une sortie fiable de 220 VAC. L'onduleur à topologie Heric utilise quatre C3M0045065K MOSFET SiC 650 V de Wolfspeed, réduisant les pertes de 17 % par rapport à l'utilisation de dispositifs IGBT. La fonction d'élévation utilise les diodes Schottky SiC 650 V C6D16065D de Wolfspeed. Comparée à d'autres diodes en silicium, la diode Wolfspeed présente un changement de recouvrement inverse nul, permettant des opérations de commutation ultra-rapides, possède la chute de tension directe la plus faible en fonction de la température, et offre un comportement de commutation indépendant de la température.

Pour accélérer le développement d’un onduleur solaire monophasé, Wolfspeed propose une conception de référence de convertisseur élévateur de 60 kW. La conception de référence CRD-60DD12N comprend le schéma, la disposition du PCB et la nomenclature (BOM), et utilise les MOSFETs SiC 1200 V C3M0075120K de Wolfspeed ainsi que les diodes Schottky SiC 1200 V C4D10120D de Wolfspeed. La conception de 60 kW peut fonctionner à des fréquences de commutation allant jusqu’à 78 kHz et atteindre jusqu’à 99,5 % d’efficacité maximale.

Ressources de conception SiC Wolfspeed

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