優(yōu)化住宅太陽(yáng)能系統能效、可靠性和成本

《建筑節能與可再生能源利用通用規范》于2022年4月1日起開(kāi)始實(shí)施，其中明確：新建建筑應安裝太陽(yáng)能系統，其中的集熱器設計使用壽命應高于15年，光伏組件設計使用壽命應高于25年。在世界范圍內，也有越來(lái)越多的國家開(kāi)始強制要求新住宅安裝太陽(yáng)能系統。太陽(yáng)能市場(chǎng)預計在未來(lái)十年內將出現驚人的增長(cháng)也就不足為奇了。預計 2021 年至 2025 年光伏逆變器市場(chǎng)容量將達到近 1 太瓦，總市值達 540 億美元。根據太陽(yáng)能行業(yè)研究數據，與儲能系統配對的住宅和商業(yè)太陽(yáng)能系統的百分比正在上升，從 2021 年的 11% 增加到 2025 年的預期 29%（圖 1）。能源成本增加，而太陽(yáng)能系統成本在 5 年期間降低約 33% ，推動(dòng)太陽(yáng)能住宅市場(chǎng)的增長(cháng)。

圖 1.太陽(yáng)能系統與儲能系統配對的百分比

安森美 (onsemi) 提供廣泛的高功率硅基和碳化硅 (SiC) 分立器件，適用于各種功率水平的住宅、商業(yè)和公用事業(yè)太陽(yáng)能系統（圖 2）。

圖 2. 用于太陽(yáng)能系統的安森美功率半導體

住宅太陽(yáng)能系統：概述

住宅太陽(yáng)能有很多好處，包括通過(guò)可靠清潔的綠色能源為家用電器供電、為電動(dòng)汽車(chē)充電，以及向電網(wǎng)傳輸電力。

住宅太陽(yáng)能逆變器系統是家用發(fā)電和儲能解決方案。光伏 (PV) 面板陣列產(chǎn)生可變直流電壓。DC/DC 升壓轉換器使用最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 將可變電壓提升到直流母線(xiàn)電壓工作水平。MPPT 根據不同環(huán)境條件下太陽(yáng)的運動(dòng)和位置優(yōu)化捕獲的能量。然后該直流母線(xiàn)電壓通過(guò)單相 DC/AC 逆變器連接到負載或電網(wǎng)。該逆變器將來(lái)自太陽(yáng)能面板陣列的直流母線(xiàn)電壓（通常< 600 VDC）轉換為 120 VAC 到 240 VAC 范圍內的交流電壓。

有幾種住宅太陽(yáng)能逆變器。最常見(jiàn)的是微型逆變器和組串式逆變器?；谖⑿湍孀兤鞯奶?yáng)能系統利用多個(gè) DC/AC 逆變器，每個(gè)逆變器連接到一個(gè)面板，產(chǎn)生不超過(guò) 1 kW 的輸出（圖 3）。因為每個(gè)面板都有一個(gè)逆變器，所以這種方法比組串逆變器方法成本更高。然而，由于每個(gè)面板電壓水平都是單獨跟蹤的，因此陣列的整體能效更高。此外，系統易于擴展，因為所需的能量容量決定了所需逆變器的數量。

圖 3.基于微型逆變器的太陽(yáng)能系統

基于組串式逆變器的太陽(yáng)能系統整合了來(lái)自串聯(lián)光伏面板的多個(gè)輸入，使用 DC/DC 升壓轉換器中的 MPPT 進(jìn)行優(yōu)化（圖 4）。該系統成本低于基于微型逆變器的系統，并可支持數百伏電壓。然而，由于太陽(yáng)能面板串聯(lián)連接，因此可能會(huì )出現效率低下的情況。例如，如果串聯(lián)中的一個(gè)面板處于陰影下，則整個(gè)串聯(lián)將受到同等程度的影響。

圖 4.基于串式逆變器的太陽(yáng)能系統

為了解決這些效率低下問(wèn)題，用戶(hù)可以引入功率優(yōu)化器（圖 5）。功率優(yōu)化器基本上是一個(gè)帶有集成 MPPT 的 DC-DC 轉換器，可將來(lái)自 PV 面板的可變 DC 電壓轉換為固定 DC 電壓。功率優(yōu)化器可以添加到任何單個(gè)面板，為用戶(hù)提供了一種靈活的方式來(lái)適應低 PV 輸出，而不會(huì )影響其他連接面板的效率。

圖 5.連接到各個(gè)面板的功率優(yōu)化器

住宅太陽(yáng)能系統的另一個(gè)重要部分是電池儲能系統 (BESS)（圖 6）。對于大多數住宅用例，能源采集發(fā)生在能源需求較低時(shí)（即日照時(shí)間和居住者不在家時(shí)）。儲能系統會(huì )將能量存儲在鋰離子或鉛酸電池中，讓房主在方便時(shí)靈活地使用能源（即日落之后和家人在家時(shí)）。

將 BESS 連接到太陽(yáng)能系統就形成了一個(gè)雙向轉換器。當面板發(fā)電時(shí)，該轉換器可為鋰離子或鉛酸電池陣列充電。當面板不產(chǎn)生能量時(shí)，例如在夜間，雙向轉換器可以釋放存儲的能量來(lái)驅動(dòng)連接的負載。即使在電力短缺或停電期間，本地儲能也能確保家庭擁有可靠的供電。通過(guò)這種方法，用戶(hù)可以采購模塊化儲能系統，它們可以輕松添加到現有太陽(yáng)能系統中，而無(wú)需對現有系統進(jìn)行重大改動(dòng)。

圖 6.連接到太陽(yáng)能系統的電池儲能系統 (BESS)

DC-DC 升壓轉換器

為了實(shí)現高效率，包含在組串式或微型逆變器中的 DC-DC 轉換器使用 MPPT 在不同環(huán)境條件下盡可能地提高光伏面板產(chǎn)生的功率。DC-DC 轉換器可以基于各種隔離式和非隔離式拓撲結構。對于太陽(yáng)能住宅轉換器，最常見(jiàn)的非隔離拓撲結構是單升壓轉換器。一種常見(jiàn)的隔離式拓撲結構是反激式轉換器（圖 7）。

單升壓和反激拓撲結構的主要優(yōu)勢是低成本和纖薄的外形。與對稱(chēng)升壓和飛跨電容升壓拓撲結構相比，單升壓拓撲結構采用簡(jiǎn)單的電路和簡(jiǎn)單的控制算法。

圖 7.用于隔離和非隔離 MPPT DC/DC 轉換器的電源開(kāi)關(guān)

DC-AC 轉換器

逆變器可以基于多種拓撲結構。對于住宅市場(chǎng)，使用的常見(jiàn)拓撲結構是 HERIC H6.5 轉換器，使用安森美 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊進(jìn)行實(shí)施（圖 8）。使用基于 HERIC 的拓撲結構，可以實(shí)現無(wú)變壓器設計，從而降低整體系統重量、尺寸和成本。該拓撲結構可以解決由共模 (CM) 電壓作用于光伏陣列的寄生電容引起的漏電流問(wèn)題。此外，作為三電平拓撲結構，它的效率比基于 H 橋的方法更高。通常，建議對單相和三相應用使用 三電平拓撲結構，以最大限度地減少諧波并提供更平滑的輸出。雖然多級拓撲結構需要更復雜的控制，但它們提供了更好的性能和效率。

圖 8.具有 H6.5 拓撲結構的 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊

雙向 DC-DC 轉換器

雙向 DC-DC 轉換器（圖 9）對包含在本地儲能系統中的電池進(jìn)行充電和放電。該轉換器通常是諧振 CLLC 或DAB降壓-升壓隔離拓撲結構，為太陽(yáng)能系統部署以下功能：

●  啟用雙向功率流用于電池充電和放電

●  支持寬輸入/輸出電壓范圍

●  通過(guò) ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）提高效率

●  將電池組與 PV 面板隔離以確保安全

圖 9.雙向 DC/DC 轉換器

安森美電源產(chǎn)品為高效太陽(yáng)能逆變器帶來(lái)價(jià)值

安森美在硅 MOSFET 中采用了屏蔽柵極溝槽技術(shù)（圖 10）。這項創(chuàng )新通過(guò)在柵極上加入屏蔽多晶硅結構來(lái)增強垂直溝槽設計，從而降低電阻和電容，從而降低開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。較低的開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗有利于太陽(yáng)能電池陣列和電網(wǎng)之間實(shí)現最大功率傳輸。使用較低的動(dòng)態(tài)電容，電源轉換系統可以在較高頻率下運行。而更高的頻率有助于減小外形尺寸和無(wú)源組件（即電感）的重量，這對于節省成本至關(guān)重要。為了增強可靠性，屏蔽柵極技術(shù)采用了內部緩沖電路，可抑制開(kāi)關(guān)轉換期間的電壓過(guò)沖，從而降低開(kāi)關(guān)噪聲。

硅 MOSFET 的封裝結構改善了整個(gè)系統的散熱。具有低封裝寄生（電阻和電感）特性的高功率密度緊湊型封裝結構采用頂部和底部金屬散熱表面，以控制器件結溫并提高系統可靠性和壽命。

圖 10.硅 MOSFET 屏蔽柵極溝槽技術(shù)

安森美還提供額定電壓為 600 V 和 650 V 的硅 IGBT。IGBT 采用窄臺面、寬溝槽寬度第4代場(chǎng)截止  (FS4) 技術(shù)，具有閂鎖抗擾度和更小的柵極電容。場(chǎng)截止層增加了阻擋能力并減少了漂移層厚度，進(jìn)而將導通和開(kāi)關(guān)能量損耗降低到 30 μJ/A 以下。它還可以降低熱阻，從而實(shí)現更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT 設計在 4 kW 升壓轉換器中表現出比第3代場(chǎng)截止 (FS3) 設計更好的輕負載功率效率，與最佳競品的表現相當（圖 11）。

圖 11.4 kW 升壓轉換器中的場(chǎng)截止 4 (FS4) 效率

碳化硅的優(yōu)勢

SiC 的優(yōu)勢首先是材料本身具有比硅高 10 倍的介電擊穿場(chǎng)強、高 2 倍的電子飽和速度、高 3 倍的能量禁帶和高 3 倍的熱導率（圖 13）。系統優(yōu)勢體現為盡可能高的效率，通過(guò)降低功率損耗，提高功率密度和工作頻率、降低工作溫度和 EMI，以及最重要的降低系統尺寸和成本來(lái)實(shí)現。

基于 SiC 的太陽(yáng)能逆變器系統以更小的外形實(shí)現了比硅基產(chǎn)品更好的性能。與硅 IGBT 相比，Eon 和 Eoff 損耗在高頻開(kāi)關(guān)期間顯著(zhù)降低。此外，與 IGBT 相比，SiC 在溫度范圍內的可靠性和穩定性更優(yōu)。與超級結 MOSFET 相比，在高開(kāi)關(guān)頻率下使用 SiC 時(shí)，EMI 要低得多。高頻運行期間增強的散熱性能和更低的開(kāi)關(guān)損耗減少了系統占用面積，從而使逆變器更輕。

圖 12.碳化硅 (SiC) 與硅的比較（資料來(lái)源：Yole Development）

安森美 650 V SiC 分立器件相對于競品，在 VGS 和溫度兩方面都具有更低的 Rds(ON)（圖 14 和 15）。這些 SiC 組件還能夠以負柵極電壓驅動(dòng)，提高抗噪性并避免半橋中的誤導通。

圖 13.RDS(ON) 比較（不同 VGS 時(shí)）（PN：NTH4L045N065SC1）

圖 14.在不同的 VGS 和溫度下比較 Rds(ON)（PN：NTH4L045N065SC1）

安森美是可提供從襯底到模塊的端到端 SiC 供應商之一（圖15）。憑借端到端垂直整合供應鏈和我們 SiC 技術(shù)的出色效率，我們?yōu)榭蛻?hù)提供所需的供應保證，以支持未來(lái)快速增長(cháng)的市場(chǎng)。

安森美 SiC 產(chǎn)品：從襯底到系統

圖 15. 安森美提供從襯底到模塊的端到端 SiC 技術(shù)

安森美助力客戶(hù)加速太陽(yáng)能逆變器系統設計

與許多應用一樣，優(yōu)化戶(hù)用太陽(yáng)能系統的方法并沒(méi)有單一的最佳方案。了解不同方法和技術(shù)的優(yōu)勢并做出權衡并非易事。理想情況下，OEM 需要一個(gè)擁有廣泛選項組合并結合實(shí)際行業(yè)專(zhuān)業(yè)知識的合作伙伴，以幫助確定特定應用的最佳解決方案。安森美擁有廣泛的產(chǎn)品組合，可大幅簡(jiǎn)化太陽(yáng)能系統的器件選擇。

安森美提供完整的解決方案，如 SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 參考設計，適用于 40 W SiC 高壓輔助電源。參考設計提供了快速啟動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和加快產(chǎn)品上市所需的各種設計文檔（即用戶(hù)手冊、物料清單、Gerber 文件等）?？梢酝ㄟ^(guò)安森美網(wǎng)站和安森美代理商獲取這些參考設計。

SPICE 模型也可以提供給系統設計人員，以進(jìn)行更高級的評估和開(kāi)發(fā)。Spice 模型有助于研究電路、模塊和管芯層面的反向恢復行為和寄生效應。這些模型還支持熱仿真和自發(fā)熱效應的探索。欲了解更多詳情，請訪(fǎng)問(wèn)太陽(yáng)能解決方案。

圖 16.太陽(yáng)能逆變器系統框圖

太陽(yáng)能發(fā)電和儲能是減少碳排放和為我們的日常生活構建可持續能源的重要技術(shù)。為了在這個(gè)不斷增長(cháng)的市場(chǎng)中取得成功，OEM 需要靈活的解決方案來(lái)提高能源質(zhì)量、效率和可靠性，同時(shí)降低安裝和運營(yíng)成本。有了像安森美這樣值得信賴(lài)的合作伙伴，OEM 可以確保所用的太陽(yáng)能產(chǎn)品將以盡可能低的成本提供滿(mǎn)足客戶(hù)需求所需的能效、可靠性和耐用性。