Tendances de développement et solutions pour onduleurs solaires

Dans le contexte des efforts mondiaux pour promouvoir l'énergie verte et les objectifs de réduction des émissions de carbone, la technologie solaire a rapidement progressé, devenant un pilier clé des énergies renouvelables. Parmi ces technologies, les onduleurs solaires, en tant qu'équipement central essentiel qui convertit le courant continu (CC) généré par les panneaux solaires en courant alternatif (CA), influencent directement l'efficacité et la fiabilité de l'ensemble du système de production d'énergie. Cet article explore les dernières tendances de développement des onduleurs solaires et les solutions innovantes introduites par onsemi pour relever les défis de la transition énergétique future et des réseaux intelligents.

Avec la croissance continue de la civilisation et de la densité de population, le taux d'émissions de CO₂ devient de plus en plus difficile à contrôler. Le réchauffement climatique causé par les émissions de carbone entraînera une détérioration du climat et nuira inévitablement à notre planète. Par conséquent, pour résoudre ce problème, nous devons adopter des sources d'énergie propre telles que l'énergie éolienne et solaire.

Les sources d'énergie renouvelable telles que l'énergie solaire et éolienne figurent parmi les moyens les plus efficaces de réduire les émissions de carbone. Contrairement à l'énergie éolienne, les onduleurs solaires sont largement utilisés dans diverses applications. Aujourd'hui, grâce aux systèmes de stockage d'énergie, les gens peuvent contrôler et stocker cette énergie gratuite. Le cœur d'un onduleur solaire est constitué de stages de conversion de puissance élevée, de convertisseurs élévateurs DC-DC et d'onduleurs DC-AC. Avec les avancées dans les interrupteurs de puissance et les nouvelles exigences des produits finaux, de nombreuses nouvelles topologies ont émergé.

L'avantage principal de l'énergie solaire est qu'il s'agit d'une source d'énergie "gratuite" tant qu'un système d'onduleur solaire est installé. Ce processus est respectueux de l'environnement, car il ne produit aucune émission et repose sur une ressource abondante et durable : le soleil. Utiliser l'énergie solaire aide à combattre le changement climatique, réduit la dépendance aux combustibles fossiles et fournit une source d'énergie fiable. De plus, cela entraîne souvent des économies à long terme pour les particuliers et les entreprises en réduisant les factures d'électricité.

Les onduleurs solaires se déclinent en plusieurs catégories, différenciées par type (central, string, micro) ou par application finale (résidentielle, commerciale, à l'échelle des services publics). Actuellement, les onduleurs string sont le type le plus populaire en raison de leur flexibilité et de leur facilité d'installation. Avec l'itération continue des dispositifs de puissance, le niveau/la densité de puissance d'un seul onduleur augmente tandis que les coûts et les tailles des unités diminuent, en faisant le choix principal sur le marché des onduleurs solaires.

Les onduleurs solaires centraux sont généralement installés dans des stations de services publics à échelle industrielle avec une capacité ultra-élevée. Cependant, en raison des limitations de l'emplacement d'installation, la capacité nouvellement installée des onduleurs centraux a été dépassée par les onduleurs de chaîne ces dernières années. Les micro-onduleurs solaires, utilisés pour la production d'énergie résidentielle, sont également largement déployés pour alimenter l'infrastructure urbaine telle que les lampadaires et les feux de circulation.

Avec l'augmentation des exigences d'efficacité de conversion d'énergie et de haute puissance, la tendance du carbure de silicium (SiC) à remplacer les semiconducteurs traditionnels a émergé, car le SiC aide à améliorer l'efficacité. Comparés aux MOSFETs/IGBTs traditionnels à base de silicium, les dispositifs SiC sont plus adaptés aux applications de plus haute tension. Les dispositifs de haute tension peuvent simplifier les topologies, éliminant le besoin de convertisseurs multi-niveaux. Les solutions d'onduleurs SiC présentent des pertes plus faibles que les solutions IGBT, et les MOSFETs SiC commutent plus rapidement, réduisant la taille des dispositifs passifs, en particulier les inducteurs. Ces deux facteurs augmentent la densité de puissance, permettant une puissance plus élevée dans des équipements de même taille et poids. Cependant, les compromis entre le coût et la performance doivent encore être pris en compte lors de la conception du produit, et les exigences réelles doivent être comprises pour déterminer la solution la plus appropriée.

D'un autre côté, le remplacement des diodes SiC devient de plus en plus courant, en particulier dans les étages DC-DC, en raison de leur coût décroissant, des modifications minimes requises dans la conception des circuits et, surtout, des améliorations significatives des performances du système. De plus, des fréquences plus élevées peuvent réduire la taille des dispositifs passifs.

Pour les produits de haute puissance (au-dessus d'environ 200 kW), les IGBTs sont le choix préféré car ils fonctionnent bien sous des conditions de courant élevé et le système n'exige pas de très hauts taux de commutation, ce qui signifie que la mise hors tension lente des IGBTs ne pose pas de problèmes significatifs. À l'inverse, un système entièrement en SiC nécessite une conception de système complètement nouvelle, ce qui engendre des coûts substantiels. Par exemple, le circuit de commande d'un convertisseur basé sur des IGBTs est incompatible avec un système basé sur SiC. De nouvelles méthodes de protection doivent également être envisagées, car les composants SiC ont un temps de résistance au court-circuit (SCWT) plus court comparé aux IGBTs.

Avec la demande croissante pour une puissance élevée, l'utilisation de chaînes à 1500 V au lieu de 1100 V réduit les coûts d'interconnexion pour un niveau de puissance donné en raison d'un courant plus faible. Pour répondre à cette tendance, des commutateurs à haute tension ont été développés. Que ce soit en utilisant des commutateurs haute tension ou des topologies multi-niveaux, la puissance de fonctionnement des onduleurs solaires peut être considérablement améliorée.

De plus, les onduleurs solaires à trois niveaux sont souvent le choix privilégié pour les onduleurs solaires haute puissance en raison de leur performance EMI optimisée, de leurs pertes de commutation et de l'ondulation de courant d'inductance. Cependant, ils présentent également des défis pour la conception de PCB et les schémas de commutation. Avec le développement du SiC, des modules de puissance et des dispositifs de puissance discrets avec des tensions de fonctionnement maximales ≥ 2000 V ont été développés et déployés. Bien qu'il y ait encore des lacunes (telles que des exigences plus élevées pour d'autres composants/accessoires) avant la production de masse, un système à deux niveaux de 1500 V peut réduire considérablement la complexité de la conception et du contrôle tout en diminuant la taille des produits finaux.

Une autre opportunité émergente est celle des onduleurs solaires hybrides, généralement utilisés pour les applications résidentielles, qui comprennent un convertisseur DC-DC supplémentaire connecté au bus de l'onduleur solaire. Le convertisseur DC-DC externe se relie à un pack de batteries, offrant une énergie de secours ou permettant l'arbitrage énergétique. Ce nouveau système est intégré dans un boîtier qui ressemble aux onduleurs solaires résidentiels traditionnels.

En ce qui concerne la mise en œuvre du système, les principaux composants d'un système onduleur string comprennent le champ de panneaux solaires, les condensateurs de liaison CC, et l'onduleur (convertisseur CC/CA). Une étape d'augmentation CC-CC est souvent utilisée entre les chaînes PV et la liaison CC. Ces systèmes servent principalement deux fonctions : élever la tension de sortie des chaînes PV au niveau de fonctionnement de la liaison CC et mettre en œuvre la fonction de Suivi du Point de Puissance Maximum (MPPT) pour maximiser la production d'énergie dans des conditions environnementales et d'ensoleillement variables. Lorsque la chaîne PV atteint la tension de fonctionnement de la liaison CC, le convertisseur CC/CC est contourné (via une diode à faible V_F) pour maximiser l'efficacité.

En ce qui concerne les niveaux de puissance et de tension, l'étage onduleur est disponible en configurations monophasées et triphasées. Les systèmes monophasés sont classés de moins de 1 kW jusqu'à 10 kW (selon la région), avec des tensions de liaison DC allant généralement de 300 V à 600 V. Les systèmes triphasés couvrent une large gamme de puissances, de 15 kW pour les applications commerciales légères à plus de 300 kW pour les applications à l'échelle des services publics. La tension de la liaison DC fonctionne généralement à 1100 V (résidentiel, commercial et services publics) ou 1500 V (commercial et services publics).

En termes de conception de topologie, les solutions de semi-conducteurs de puissance varient sur un large spectre de niveaux de puissance et de tension. Pour les applications de puissance élevée, les Modules Intégrés de Puissance (PIM) avec IGBTs, MOSFETs SiC, et/ou des solutions hybrides SiC sont souvent privilégiés. Les topologies multi-niveaux doivent être considérées pour les systèmes à haute tension de bus. Les systèmes à deux niveaux offrent également des avantages en termes de complexité du système et de contrôle mais exercent des exigences plus importantes sur les interrupteurs de puissance.

Lors du choix entre des dispositifs discrets et des modules de puissance, de nombreux facteurs influencent les décisions des clients. Cependant, pour les produits à haute puissance, les solutions en modules sont fortement recommandées, surtout lors du parallélisme de plusieurs MOSFETs/IGBTs discrets. Les solutions en modules simplifient les problèmes tels que les déséquilibres de performance à long terme causés par une distribution inégale du courant et de la chaleur, le timing de commutation et les connexions de câblage.

onsemi propose une gamme de solutions pour onduleurs solaires, y compris des dispositifs discrets SiC et IGBT, des modules de puissance, des pilotes de grille isolés et des contrôleurs de gestion d'énergie, pour améliorer la densité de puissance et l'efficacité du système.

Voici quelques points forts des solutions de onsemi. Tout d'abord, la nouvelle série de MOSFETs planaires SiC EliteSiC 1200 V M3S est optimisée pour les applications à commutation rapide et le fonctionnement à haute température. La technologie planaire assure des performances fiables sous une tension de grille négative et supprime les pics de grille. Cette série offre des performances optimales avec une commande de grille de 18 V mais fonctionne également bien avec 15 V. Une capacité parasite améliorée la rend adaptée aux opérations à haute fréquence, avec R_DS(ON) = 22 mΩ @ V_GS = 18 V, une charge de grille ultra-faible (QG_(TOT) = 137 nC), une faible capacitance (C_OSS = 146 pF), et une commutation à grande vitesse. Elle est dotée d'un boîtier TO-247-4L à 4 broches avec une source Kelvin, est testée à 100 % pour l'avalanche, sans halogène et conforme RoHS.

La nouvelle série de 1200 V Trench Field Stop VII IGBT comprend une mesa étroite de tranchée et un multi-tampon implanté de protons, offrant des types à commutation rapide et à faible V_CE(SAT). Une capacité parasite améliorée prend en charge le fonctionnement à haute fréquence, et elle est disponible dans des boîtiers courants. Les applications cibles incluent l'infrastructure énergétique et l'automatisation industrielle.

Le vaste portefeuille de modules d'alimentation intégrée entièrement en SiC (PIMs) de onsemi comprend des configurations de demi-pont, de pont complet et d'autres configurations topologiques plus importantes. Ces modules présentent une faible résistance thermique, des thermistances NTC intégrées, une R_DS(ON) inférieure à des tensions plus élevées, une efficacité et une densité de puissance supérieures, ainsi que des solutions d'interface thermique flexibles et de haute fiabilité.

À mesure que la transition énergétique mondiale s'accélère, la technologie et les applications des onduleurs solaires continuent d'évoluer vers une plus grande efficacité, intelligence et modularité. Confrontés à des scénarios d'application divers et à des environnements de fonctionnement exigeants, les fabricants doivent continuellement optimiser les architectures de conception, améliorer la gestion thermique et les mécanismes de protection, et adopter des semi-conducteurs de puissance avancés et des algorithmes de contrôle. Les solutions d'onduleurs solaires d'onsemi peuvent aider au développement de systèmes de conversion d'énergie plus respectueux de l'environnement et bas carbone, jouant un rôle crucial dans l'écosystème énergétique vert du futur et favorisant la réalisation d'un développement durable.