Wolfspeed SiC trasforma l'infrastruttura dell'energia solare

In tutto il mondo, le società stanno sempre più optando per fonti di energia rinnovabile, ove disponibili. Consumatori e aziende, grandi e piccole, considerano l'energia solare una fonte energetica valida, pulita e pratica. La raccolta di energia solare mediante pannelli fotovoltaici offre un approccio rinnovabile scalabile, sia per un'installazione domestica compatta su tetto che per un edificio commerciale. In questo articolo, esploreremo come il SiC di Wolfspeed trasforma l'infrastruttura dell'energia solare.

L'importanza di una conversione di potenza altamente efficiente

Raccogliere l'energia del sole e convertirla nella tensione standard della rete AC comporta diverse fasi, ciascuna con alcune perdite. Le perdite di conversione energetica si manifestano in modi diversi, come calore dissipato e una riduzione della tensione, ma complessivamente portano a inefficienza nella conversione; si ottiene meno di quanto si immette.

Progettare un'architettura di conversione energetica efficiente è di fondamentale importanza. Ridurre le perdite richiede una comprensione approfondita di dove esse si verificano, inclusi le perdite I2R nei conduttori, le perdite di conduzione nei semiconduttori e quelle che si verificano nei componenti passivi associati. Il calore è tipicamente il risultato di una perdita di energia e richiede dissipazione, attraverso l'uso di dissipatori di calore o raffreddamento ad aria forzata, il che aggiunge peso, costo e aumenta l'ingombro complessivo. Inoltre, il funzionamento dei componenti elettronici a temperature elevate riduce l'affidabilità del sistema, causando costosi tempi di inattività e potenziali perdite di ricavi.

I semiconduttori basati sul silicio hanno dominato sin dall'inizio, ma la necessità di una conversione di potenza più compatta, efficiente e a costi inferiori ha stimolato la ricerca su nuove tecnologie a semiconduttori. Rispetto al silicio, i materiali a banda proibita larga come il carburo di silicio (SiC) operano a frequenze di commutazione e tensioni più elevate e hanno un intervallo di temperatura operativa più ampio, portando a design più piccoli e compatti e a una densità di potenza a livello di sistema più alta.

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 di energia. Tuttavia, i MOSFET Wolfspeed SiC da 650 V e 1200 V e i relativi diodi SiC offrono vantaggi significativi, tra cui una riduzione del 70% delle perdite di sistema, una diminuzione dell'80% del peso (per un inverter da 60 kW) e una riduzione fino al 15% del costo del sistema. Inoltre, i MOSFET SiC di Wolfspeed presentano caratteristiche Rds(on) leader nel settore rispetto alla temperatura e registrano una corrente di recupero inverso di picco inferiore del 30% rispetto ai loro equivalenti in silicio.

Figura 1 illustra l'architettura di alto livello di un inverter solare da 60 kW e di un sistema di accumulo di energia. Tre stadi funzionali richiedono semiconduttori di commutazione: un MPPT Boost da 800 Vout, un inverter trifase da 400 VAC e il sistema di ricarica della batteria/accumulo di energia (ESS) da 400 V. Rispetto agli IGBT, un approccio combinato con MOSFET SiC e diodo SiC di Wolfspeed offre un miglioramento del 3% nell'efficienza complessiva del sistema, rappresentando una riduzione del 70% delle perdite del sistema.

Figura 2 mostra i guadagni in termini di efficienza, densità di potenza e riduzioni delle perdite di potenza a ciascuna fase. Nell'esempio, il MOSFET SiC di Wolfspeed funziona a 45 kHz, rispetto ai 16 kHz dell'IGBT.

I MOSFET SiC di Wolfspeed, come il dispositivo C3M0040120K da 1200 V utilizzato nella sezione boost da 30 kW in Figura 2, possono operare a frequenze di commutazione molto più alte rispetto agli IGBT, permettendo l'uso di induttori e componenti capacitivi più piccoli e contribuendo ulteriormente a ridurre l'ingombro dell'inverter. A complemento dei MOSFET SiC, i diodi SiC di Wolfspeed, come il C4D30120H, un diodo Schottky da 1200 V, offrono una combinazione efficiente in coppia. Gli inverter progettati con i MOSFET SiC e i diodi SiC di Wolfspeed sono fino all'80% più leggeri rispetto alle unità basate su IGBT. Ad esempio, un inverter IGBT da 60 kW pesa 173 kg (380,6 libbre), rispetto ai 33 kg (72,6 libbre) di un inverter basato su carburo di silicio Wolfspeed. Questa riduzione di peso comporta un vantaggio significativo durante l'installazione, poiché un sistema IGBT richiederebbe una gru e più personale. Tenendo conto della riduzione del peso, è necessario un minor numero di addetti per installare e mettere in funzione un inverter SiC, riducendo i costi complessivi di implementazione e rendendo il processo molto più produttivo.

I vantaggi dell'utilizzo dei MOSFET SiC di Wolfspeed per un inverter solare trifase da 60 kW si applicano ugualmente a inverter monofase più piccoli utilizzati in installazioni solari residenziali. Nel contesto residenziale, il SiC semplifica il design dell'inverter e, grazie alla riduzione delle perdite di recupero proprie dei MOSFET SiC di Wolfspeed, si ottiene una riduzione delle perdite superiore all'80%.

La Figura 4 illustra il convertitore boost per il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) e le fasi dell'inverter di un inverter residenziale monofase da 7 kW. La funzione boost è un aspetto fondamentale di qualsiasi progetto di inverter solare poiché la tensione in ingresso dai pannelli può variare significativamente durante il giorno a causa delle condizioni meteorologiche mutevoli. Incrementando la tensione in ingresso all'inverter fino a un livello costante di 400 V, il sistema può operare più efficientemente e l'inverter fornirà un'uscita affidabile di 220 VAC. L'inverter con topologia Heric utilizza quattro C3M0045065K 650 V MOSFET in carburo di silicio (SiC) di Wolfspeed, riducendo le perdite del 17 % rispetto all'uso di dispositivi IGBT. La funzione boost utilizza diodi Schottky C6D16065D 650 V SiC di Wolfspeed. Rispetto ad altri diodi in silicio, il diodo Wolfspeed presenta una variazione di recupero inverso pari a zero, consentendo operazioni di commutazione ultra-rapide, il minimo drop di tensione diretta rispetto al comportamento della temperatura, e un comportamento di commutazione indipendente dalla temperatura.

Per accelerare lo sviluppo di un inverter solare monofase, Wolfspeed fornisce un design di riferimento per un convertitore boost da 60 kW. Il design di riferimento CRD-60DD12N include lo schema elettrico, il layout PCB e la distinta base (BOM), e utilizza i MOSFET Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC e i diodi Schottky Wolfspeed C4D10120D 1200 V SiC. Il progetto da 60 kW può operare a frequenze di commutazione fino a 78 kHz e raggiungere un'efficienza massima del 99,5%.

Risorse di progettazione Wolfspeed SiC

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