住宅太陽能逆變器系統(tǒng)為家庭提供綠色能源

隨著太陽能電池板成本的下降和零碳能源法規(guī)的加強(qiáng)，導(dǎo)致全球太陽能發(fā)電裝置的增加，這個過程正在從公用事業(yè)到商業(yè)，再大規(guī)模地拓展到住宅應(yīng)用上，預(yù)計未來五年住宅太陽能系統(tǒng)的數(shù)量將大幅增長。這些系統(tǒng)將可為家庭提供清潔綠色能源，為家用電器供電、電動汽車充電，甚至將多余的電力賣回電網(wǎng)。在電網(wǎng)停電時，也可以確保住宅的供電無虞。本文將為您介紹住宅太陽能系統(tǒng)的主要組件與技術(shù)發(fā)展，以及安森美（onsemi）所推出的電力解決方案。

住宅太陽能逆變器系統(tǒng)滿足住宅用電需求

住宅太陽能逆變器系統(tǒng)是一種家庭發(fā)電和儲能解決方案，其包括產(chǎn)生可變直流電壓的光伏（PV）面板陣列，升壓轉(zhuǎn)換器則使用稱為最大功率點跟蹤（MPPT）的方法（會根據(jù)陽光的強(qiáng)度和方向優(yōu)化捕獲的能量），將該電壓提高到更高的直流鏈路電壓。然后，單相DC/AC逆變器將直流鏈路電壓（通常< 600 VDC）轉(zhuǎn)換為交流電壓（120至240 V），然后連接到負(fù)載或電網(wǎng)。

住宅太陽能逆變器有不同類型，但最常見的兩種是微型逆變器和組串式逆變器。微型逆變器太陽能系統(tǒng)使用多個DC/AC逆變器，每個逆變器連接到單個光伏面板，通常產(chǎn)生高達(dá)1 kW的輸出功率。組串式逆變器系統(tǒng)結(jié)合了多個串聯(lián)光伏發(fā)電的輸入。然而，連接多個太陽能電池板的效率低于微型逆變器系統(tǒng)，因為如果一個電池板接收到的光少于系列中其他電池板的光，整個系統(tǒng)的輸出就會受到影響。然而，它們比微型逆變器系統(tǒng)便宜，每個面板都有一個逆變器。

功率優(yōu)化器（具有集成MPPT的DC?DC轉(zhuǎn)換器）則有助于提高組串式逆變器系統(tǒng)的效率，這會將光伏電池板的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為固定直流電壓，這意味著單個電池板的低光伏輸出將不會影響整體效率。

電池儲能系統(tǒng)（BESS）對于住宅太陽能系統(tǒng)至關(guān)重要，在大多數(shù)情況下，能源是在最不需要的時候捕獲的——白天人們不在家的時候。使用電池來存儲能量可以在需要時（晚上家人在家時）靈活地使用電力。雙向轉(zhuǎn)換器將BESS連接到太陽能系統(tǒng)，白天，當(dāng)光伏板發(fā)電時，轉(zhuǎn)換器為電池陣列充電。晚上，當(dāng)電池板不發(fā)電時，雙向轉(zhuǎn)換器會釋放電池中存儲的能量來驅(qū)動負(fù)載。

為了實現(xiàn)高效率，組串式逆變器或微型逆變器中包含的DC-DC轉(zhuǎn)換器可使用MPPT，在不同環(huán)境條件下最大限度地提高光伏電池板產(chǎn)生的功率。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以基于各種隔離和非隔離拓?fù)?，對于太陽能住宅轉(zhuǎn)換器，最常見的非隔離拓?fù)涫菃紊龎恨D(zhuǎn)換器，常見的隔離拓?fù)涫欠醇な睫D(zhuǎn)換器。這兩種拓?fù)涠际堑统杀镜牟⑶揖哂姓耐庑纬叽?。另外還有DC-AC逆變器，逆變器可以使用各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建，但須考慮逆變器的重量、尺寸和成本。

雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器則會對儲能系統(tǒng)中的電池進(jìn)行充電和放電，這通常使用諧振CLLC或雙有源橋升降壓隔離拓?fù)?。它支持寬輸入和輸出電壓范圍，并使用零電壓開關(guān)（ZVS）來提高效率，它還通過將電池組與光伏面板隔離來提供安全性。

提供高效率的升壓和逆變器電源集成模塊

作為電力電子領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，安森美擁有住宅太陽能系統(tǒng)所需的廣泛功率半導(dǎo)體產(chǎn)品組合，其中包括 60 V – 150 V硅MOSFET、650 V碳化硅分立MOSFET、600 V和650 V Field Stop 4 IGBT，以及集成電源模塊。

安森美理解到能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型需要采用具有最高效率、可靠性和安全性的解決方案，因此推出了安森美的升壓和逆變器電源集成模塊（PIM），使用安森美的柵極驅(qū)動器、傳感、控制和外圍電源產(chǎn)品來固定電網(wǎng)接口電子器件，從而完善系統(tǒng)。

例如在DC-AC逆變器上采用安森美的NXH75M65L4Q1 IGBT模塊的HERIC H6.5轉(zhuǎn)換器，該設(shè)計不需要變壓器，從而減少了整個系統(tǒng)的重量、尺寸和成本，該拓?fù)浣鉀Q了由作用于光伏陣列寄生電容的共模（CM）電壓引起的漏電流問題。此外，作為三電平拓?fù)洌然贖橋的方法提供更高的效率。一般來說，建議單相和三相應(yīng)用采用三電平拓?fù)?，以最大限度地減少諧波，并提供更平滑的輸出。雖然多級拓?fù)湫枰鼜?fù)雜的控制，但它們提供更好的性能和效率。

NXH75M65L4Q1是一款采用Q1封裝、采用三電平H6.5拓?fù)涞腎GBT模塊，該模塊包含六個75 A、650 V IGBT、五個50 A、650V Stealth二極管和一個熱敏電阻。NXH75M65L4Q1是快速開關(guān)Field Stop 4 Trench IGBT，具有低VCE(SAT)和低開關(guān)損耗，是采用低電感布局的模塊化解決方案，具有焊接針腳。常見的最終產(chǎn)品包括戶用太陽能逆變器（單相電源）、UPS（單相電源）、儲能系統(tǒng)（單相電源）。

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、寬溝槽寬度的Field Stop 4（FS4）技術(shù)，具有鎖存抗干擾性和更小的柵極電容。場截止層增加了阻擋能力并減少了漂移層厚度，這反過來又將傳導(dǎo)和開關(guān)能量損耗降低至30 J/A以下。它還可以降低熱阻，從而實現(xiàn)更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT設(shè)計在4kW升壓轉(zhuǎn)換器中表現(xiàn)出比Field Stop 3（FS3）設(shè)計更好的輕負(fù)載功率效率，具備比同等級競爭對手更好的表現(xiàn)，這些功能有助于實現(xiàn)更高功率效率的太陽能逆變器。

碳化硅進(jìn)一步提高住宅太陽能系統(tǒng)性能

安森美的SiC MOSFET設(shè)計快速且堅固耐用，具有高效率、減小系統(tǒng)尺寸和成本等系統(tǒng)優(yōu)勢。MOSFET是具有絕緣柵極的金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管，盡管設(shè)計元器件相似，但這些碳化硅MOSFET比硅MOSFET具有更高的阻斷電壓和更高的導(dǎo)熱率。

SiC功率器件還具有較低的狀態(tài)電阻和普通硅的10倍擊穿強(qiáng)度，電子飽和速度高出2倍，能帶隙高出3倍，熱導(dǎo)率高出3倍。一般來說，與硅材料制成的MOSFET相比，采用SiC MOSFET的系統(tǒng)具有更好的性能和更高的效率。

與硅MOSFET相比，選擇SiC MOSFET有許多優(yōu)點，例如更高的開關(guān)頻率和更高的可靠性。使用SiC MOSFET模塊時，高溫開發(fā)也不是問題，因為這些器件即使在高溫下也能高效運(yùn)作。此外，使用SiC MOSFET，也可以受益于更緊湊的產(chǎn)品尺寸，因為所有元器件（電感器、濾波器等）都更小。此外，低導(dǎo)通電阻和緊湊的芯片尺寸確保了低電容和柵極電荷。因此，SiC MOSFET的系統(tǒng)優(yōu)勢包括最高效率、更快的工作頻率、更高的功率密度、更高的工作溫度、更低的EMI，以及更小的系統(tǒng)尺寸，提供最高的效率。

因此，碳化硅（SiC）器件可在住宅太陽能系統(tǒng)中實現(xiàn)更小的逆變器，同時提供比硅基器件更好的性能。安森美的650 V EliteSiC分立MOSFET在VGS和溫度范圍內(nèi)均具有較低的RDS(ON)，并且可以使用負(fù)柵極電壓進(jìn)行驅(qū)動，從而提高了抗噪性，并避免在橋式拓?fù)渲惺褂脮r出現(xiàn)錯誤導(dǎo)通。

廣泛的產(chǎn)品和工具組合加快產(chǎn)品開發(fā)速度

安森美還提供廣泛的產(chǎn)品和工具組合，以簡化太陽能系統(tǒng)的器件選擇，包括推出SECO?HVDCDC1362?40 W?GEVB 40 W SiC高壓輔助電源參考設(shè)計，其中包括加快產(chǎn)品開發(fā)所需的一切（用戶手冊、物料清單、Gerber文件等），安森美還為希望執(zhí)行更高級系統(tǒng)評估和開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計人員提供SPICE模型，通過SPICE模型能夠研究電路、模塊和芯片級的反向恢復(fù)行為和寄生效應(yīng)，該模型還支持熱仿真和自熱效應(yīng)的探索。

SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB評估板是40 W SiC高效的初級側(cè)調(diào)節(jié)（PSR）高壓輔助電源，該設(shè)計可在250V至900V的寬輸入直流電壓范圍內(nèi)，提供穩(wěn)定的15V輸出和40W功率，因此適用于400V和800V電池系統(tǒng)。

該板采用NCP1362準(zhǔn)諧振峰值電流PSR反激控制器、3引腳成本優(yōu)化型NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET和FFSP0665B-F085 SiC二極管。得益于SiC FET的高阻斷電壓能力和超低柵極電荷（34 nC）值，開關(guān)損耗顯著降低，并且該電路板在低線路輸入條件下為應(yīng)用展現(xiàn)了高達(dá)86%的卓越效率。NCP1362控制器的顯著驅(qū)動能力允許SiC FET在12V下直接運(yùn)行，無需預(yù)驅(qū)動器，從而簡化了布局并減少了元器件數(shù)量。

反激變壓器可提供4 kV隔離，并經(jīng)過優(yōu)化以最大限度地減少RCD緩沖器上的損耗。因此，該系統(tǒng)有效地抑制了高線路上的漏極電壓過沖，并為SiC FET提供了100V的裕量。

結(jié)語

太陽能發(fā)電和存儲是減少碳排放，以及為我們的日常生活構(gòu)建可持續(xù)能源的重要技術(shù)。為了在這個不斷增長的市場中取得成功，設(shè)備制造商需要靈活的解決方案來提高能源質(zhì)量、效率和可靠性，同時降低安裝和運(yùn)營成本。安森美是值得信賴的合作伙伴，提供完整的產(chǎn)品線與開發(fā)工具，設(shè)備制造商將可以確信他們的太陽能產(chǎn)品，將可以最低成本滿足客戶需求所需的效率、可靠性和耐用性。