Le società di tutto il mondo scelgono sempre più le fonti energetiche rinnovabili laddove sono disponibili. I consumatori e le piccole e grandi imprese considerano l'energia solare come una fonte di energia praticabile, pulita e conveniente. La raccolta dell'energia solare utilizzando pannelli fotovoltaici offre un approccio scalabile rinnovabile, sia per un'installazione di piccole dimensioni sul tetto di una casa che per una più grande sopra un edificio commerciale. In questo articolo scopriremo come le soluzioni SiC di Wolfspeed stanno trasformando l'infrastruttura dell'energia solare.
L'importanza di una conversione energetica ad alta efficienza
La raccolta dell'energia solare e la sua inversione nella tensione di rete CA standard avviene in più fasi, ciascuna delle quali comporta perdite. Le perdite di conversione dell'energia si manifestano in diversi modi, ad esempio come dispersione di calore e come riduzione di tensione, ma insieme comportano un'inefficienza nella conversione: si ottiene meno di quanto si immette.
Lo sviluppo di un'architettura di conversione energetica efficiente è della massima importanza. Per poter ridurre le perdite è necessario sapere esattamente dove si verificano, ad esempio le perdite nei conduttori I2R, le perdite di conduzione nei semiconduttori e quelle che si verificano nei componenti passivi associati. Il calore disperso è solitamente il risultato di una perdita di energia e deve essere dissipato tramite appositi dissipatori o raffreddamento ad aria forzata. Ne consegue un aumento di peso, di costi e dell'ingombro complessivo. Inoltre, l'affidabilità dei componenti elettronici diminuisce a temperature d'esercizio elevate, il che può comportare costosi tempi di inattività e potenziali perdite di ricavi.
I semiconduttori a base di silicio hanno dominato fin dall'inizio. Tuttavia, la necessità di una conversione energetica più compatta, efficiente ed economicamente vantaggiosa ha spinto la ricerca verso nuove tecnologie di semiconduttori. Rispetto al silicio, i materiali con ampio bandgap, come il carburo di silicio (SiC), funzionano a frequenze di commutazione e tensioni più elevate e hanno un intervallo di temperature d'esercizio più ampio, consentendo progetti più piccoli e più compatti e una densità di potenza a livello di sistema più elevata.
Confronto dei casi d'uso degli inverter solari
I transistor bipolari a gate isolato (IGBT) a base di silicio sono stati storicamente utilizzati come transistor di commutazione ad alta potenza all'interno degli inverter impiegati nei sistemi solari e di accumulo dell'energia. Tuttavia, i MOSFET SiC da 650 V e 1200 V di Wolfspeed e i diodi SiC associati offrono vantaggi significativi, tra cui una riduzione del 70% delle perdite di sistema, una riduzione del peso dell'80% (per un inverter da 60 kW) e una riduzione dei costi di sistema fino al 15%. Inoltre, i MOSFET SiC di Wolfspeed hanno caratteristiche Rds(on) leader del settore in funzione della temperatura e presentano una corrente massima di recupero inverso inferiore del 30% rispetto alle controparti in silicio.
Nella Figura 1 è illustrata l'architettura di fascia alta di un inverter solare da 60 kW e un sistema di accumulo dell'energia. Tre fasi funzionali richiedono semiconduttori di commutazione: un boost MPPT da 800 Vout, un inverter trifase da 400 V CA e il caricabatteria/sistema di accumulo dell'energia (ESS) da 400 V. Rispetto agli IGBT, l'uso combinato di diodi SiC e MOSFET SiC di Wolfspeed determina un miglioramento del 3% nell'efficienza complessiva del sistema. Ciò rappresenta una riduzione del 70% delle perdite del sistema.
Figura 1: L'architettura funzionale di fascia alta di un inverter solare commerciale da 60 kW e un sistema di accumulo dell'energia
Nella Figura 2 sono illustrati i miglioramenti in termini di efficienza e densità di potenza e nella riduzione della perdita di potenza in ciascuna fase. In questo esempio, il MOSFET SiC di Wolfspeed funziona a una frequenza di 45 kHz, mentre l'IGBT funziona a 16 kHz.
Figura 2: Confronto tra efficienza, densità di potenza e riduzione della perdita di potenza tra gli approcci SiC, SiC ibrido e solo silicio di Wolfspeed
I MOSFET SiC di Wolfspeed, come il dispositivo C3M0040120K da 1200 V utilizzato nella sezione boost da 30 kW nella Figura 2, possono funzionare a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto agli IGBT, consentendo l'uso di induttori e componenti capacitivi più piccoli e contribuendo ulteriormente a ridurre l'ingombro dell'inverter. Insieme ai MOSFET SiC, i diodi SiC di Wolfspeed, come il dispositivo C4D30120H, un diodo Schottky da 1200 V, offrono una combinazione efficiente. Gli inverter progettati utilizzando diodi SiC e MOSFET SiC di Wolfspeed sono più leggeri rispetto ai dispositivi basati su IGBT fino all'80%. Ad esempio, un inverter IGBT da 60 kW pesa 173 kg, mentre un inverter Wolfspeed a base di carburo di silicio pesa solo 33 kg. Questa riduzione di peso offre un vantaggio significativo durante il montaggio, dal momento che l'installazione di un sistema IGBT richiederebbe una gru e diverse persone. Grazie alla riduzione del peso, l'installazione e la messa in servizio di un inverter SiC richiedono meno manodopera, il costo complessivo di implementazione è ridotto e il processo è molto più produttivo.
Figura 3: Progettazione di inverter fino all'80% più leggeri con le soluzioni SiC di Wolfspeed
I vantaggi derivanti dall'utilizzo dei MOSFET SiC di Wolfspeed per un inverter solare trifase da 60 kW si applicano anche agli inverter monofase più piccoli, utilizzati negli impianti solari residenziali. Negli inverter residenziali, il SiC semplifica la progettazione dell'inverter e con le caratteristiche di perdita di recupero ridotta del MOSFET SiC di Wolfspeed, si ottiene una riduzione delle perdite superiore all'80%.
Nella Figura 4 sono illustrate le fasi dell'inverter e del convertitore boost con inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) di un inverter residenziale monofase da 7 kW. La funzione boost è un aspetto fondamentale nella progettazione di qualsiasi inverter solare, poiché la tensione in entrata dei pannelli può variare notevolmente durante il giorno a causa delle mutevoli condizioni meteorologiche. Aumentando la tensione in entrata all'inverter fino a 400 V costanti, il sistema può funzionare in modo più efficiente e l'inverter fornirà un'uscita affidabile di 220 V CA. L'inverter con topologia Heric utilizza quattro MOSFET SiC Wolfspeed C3M0045065K da 650 V, riducendo le perdite del 17% rispetto all'utilizzo di dispositivi IGBT. La funzione boost utilizza diodi Schottky SiC Wolfspeed C6D16065D da 650 V. Rispetto ad altri diodi al silicio, il diodo Wolfspeed presenta una variazione per recupero inverso pari a zero, consentendo operazioni di commutazione ultraveloci, ha la caratteristica della caduta di tensione diretta sulla temperatura più bassa e ha un comportamento di commutazione indipendente dalla temperatura.
Figura 4: Le fasi del boost MPPT e dell'inverter di un inverter solare residenziale monofase da 7 kW
Per accelerare lo sviluppo di un inverter solare monofase, Wolfspeed fornisce un progetto di riferimento per un convertitore boost da 60 kW. Il progetto di riferimento CRD-60DD12N include lo schema, il layout PCB e la distinta base e utilizza i MOSFET SiC di Wolfspeed C3M0075120K da 1200 V e i diodi Schottky SiC di Wolfspeed C4D10120D da 1200 V. Il design da 60 kW può funzionare a frequenze di commutazione fino a 78 kHz e raggiungere un'efficienza massima del 99,5%.
Risorse di progetto dei SiC Wolfspeed
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