优化住宅太阳能系统能效、可靠性和成本
【导读】《建筑节能与可再生能源利用通用规范》于2022年4月1日起开始实施，其中明确：新建建筑应安装太阳能系统，其中的集热器设计使用寿命应高于15年，光伏组件设计使用寿命应高于25年。在世界范围内，也有越来越多的国家开始强制要求新住宅安装太阳能系统。太阳能市场预计在未来十年内将出现惊人的增长也就不足为奇了。预计 2021 年至 2025 年光伏逆变器市场容量将达到近 1 太瓦，总市值达 540 亿美元。根据太阳能行业研究数据，与储能系统配对的住宅和商业太阳能系统的百分比正在上升，从 2021 年的 11% 增加到 2025 年的预期 29%（图 1）。能源成本增加，而太阳能系统成本在 5 年期间降低约 33% ，推动太阳能住宅市场的增长。
图 1.太阳能系统与储能系统配对的百分比
安森美 (onsemi) 提供广泛的高功率硅基和碳化硅 (SiC) 分立器件，适用于各种功率水平的住宅、商业和公用事业太阳能系统（图 2）。
图 2. 用于太阳能系统的安森美功率半导体
住宅太阳能系统：概述
住宅太阳能有很多好处，包括通过可靠清洁的绿色能源为家用电器供电、为电动汽车充电，以及向电网传输电力。
住宅太阳能逆变器系统是家用发电和储能解决方案。光伏 (PV) 面板阵列产生可变直流电压。DC/DC 升压转换器使用最大功率点跟踪 (MPPT) 将可变电压提升到直流母线电压工作水平。MPPT 根据不同环境条件下太阳的运动和位置优化捕获的能量。然后该直流母线电压通过单相 DC/AC 逆变器连接到负载或电网。该逆变器将来自太阳能面板阵列的直流母线电压（通常< 600 VDC）转换为 120 VAC 到 240 VAC 范围内的交流电压。
有几种住宅太阳能逆变器。最常见的是微型逆变器和组串式逆变器。基于微型逆变器的太阳能系统利用多个 DC/AC 逆变器，每个逆变器连接到一个面板，产生不超过 1 kW 的输出（图 3）。因为每个面板都有一个逆变器，所以这种方法比组串逆变器方法成本更高。然而，由于每个面板电压水平都是单独跟踪的，因此阵列的整体能效更高。此外，系统易于扩展，因为所需的能量容量决定了所需逆变器的数量。
图 3.基于微型逆变器的太阳能系统
基于组串式逆变器的太阳能系统整合了来自串联光伏面板的多个输入，使用 DC/DC 升压转换器中的 MPPT 进行优化（图 4）。该系统成本低于基于微型逆变器的系统，并可支持数百伏电压。然而，由于太阳能面板串联连接，因此可能会出现效率低下的情况。例如，如果串联中的一个面板处于阴影下，则整个串联将受到同等程度的影响。
图 4.基于串式逆变器的太阳能系统
为了解决这些效率低下问题，用户可以引入功率优化器（图 5）。功率优化器基本上是一个带有集成 MPPT 的 DC-DC 转换器，可将来自 PV 面板的可变 DC 电压转换为固定 DC 电压。功率优化器可以添加到任何单个面板，为用户提供了一种灵活的方式来适应低 PV 输出，而不会影响其他连接面板的效率。
图 5.连接到各个面板的功率优化器
住宅太阳能系统的另一个重要部分是电池储能系统 (BESS)（图 6）。对于大多数住宅用例，能源采集发生在能源需求较低时（即日照时间和居住者不在家时）。储能系统会将能量存储在锂离子或铅酸电池中，让房主在方便时灵活地使用能源（即日落之后和家人在家时）。
将 BESS 连接到太阳能系统就形成了一个双向转换器。当面板发电时，该转换器可为锂离子或铅酸电池阵列充电。当面板不产生能量时，例如在夜间，双向转换器可以释放存储的能量来驱动连接的负载。即使在电力短缺或停电期间，本地储能也能确保家庭拥有可靠的供电。通过这种方法，用户可以采购模块化储能系统，它们可以轻松添加到现有太阳能系统中，而无需对现有系统进行重大改动。
图 6.连接到太阳能系统的电池储能系统 (BESS)
DC-DC 升压转换器
为了实现高效率，包含在组串式或微型逆变器中的 DC-DC 转换器使用 MPPT 在不同环境条件下尽可能地提高光伏面板产生的功率。DC-DC 转换器可以基于各种隔离式和非隔离式拓扑结构。对于太阳能住宅转换器，最常见的非隔离拓扑结构是单升压转换器。一种常见的隔离式拓扑结构是反激式转换器（图 7）。
单升压和反激拓扑结构的主要优势是低成本和纤薄的外形。与对称升压和飞跨电容升压拓扑结构相比，单升压拓扑结构采用简单的电路和简单的控制算法。
图 7.用于隔离和非隔离 MPPT DC/DC 转换器的电源开关
DC-AC 转换器
逆变器可以基于多种拓扑结构。对于住宅市场，使用的常见拓扑结构是 HERIC H6.5 转换器，使用安森美 NXH75M65L4Q1 IGBT 模块进行实施（图 8）。使用基于 HERIC 的拓扑结构，可以实现无变压器设计，从而降低整体系统重量、尺寸和成本。该拓扑结构可以解决由共模 (CM) 电压作用于光伏阵列的寄生电容引起的漏电流问题。此外，作为三电平拓扑结构，它的效率比基于 H 桥的方法更高。通常，建议对单相和三相应用使用 三电平拓扑结构，以最大限度地减少谐波并提供更平滑的输出。虽然多级拓扑结构需要更复杂的控制，但它们提供了更好的性能和效率。
图 8.具有 H6.5 拓扑结构的 NXH75M65L4Q1 IGBT 模块
双向 DC-DC 转换器
双向 DC-DC 转换器（图 9）对包含在本地储能系统中的电池进行充电和放电。该转换器通常是谐振 CLLC 或DAB降压-升压隔离拓扑结构，为太阳能系统部署以下功能：
● 启用双向功率流用于电池充电和放电
● 支持宽输入/输出电压范围
● 通过 ZVS（零电压开关）提高效率
● 将电池组与 PV 面板隔离以确保安全
图 9.双向 DC/DC 转换器
安森美电源产品为高效太阳能逆变器带来价值
安森美在硅 MOSFET 中采用了屏蔽栅极沟槽技术（图 10）。这项创新通过在栅极上加入屏蔽多晶硅结构来增强垂直沟槽设计，从而降低电阻和电容，从而降低开关损耗和导通损耗。较低的开关损耗和导通损耗有利于太阳能电池阵列和电网之间实现最大功率传输。使用较低的动态电容，电源转换系统可以在较高频率下运行。而更高的频率有助于减小外形尺寸和无源组件（即电感）的重量，这对于节省成本至关重要。为了增强可靠性，屏蔽栅极技术采用了内部缓冲电路，可抑制开关转换期间的电压过冲，从而降低开关噪声。
硅 MOSFET 的封装结构改善了整个系统的散热。具有低封装寄生（电阻和电感）特性的高功率密度紧凑型封装结构采用顶部和底部金属散热表面，以控制器件结温并提高系统可靠性和寿命。
图 10.硅 MOSFET 屏蔽栅极沟槽技术
安森美还提供额定电压为 600 V 和 650 V 的硅 IGBT。IGBT 采用窄台面、宽沟槽宽度第4代场截止 (FS4) 技术，具有闩锁抗扰度和更小的栅极电容。场截止层增加了阻挡能力并减少了漂移层厚度，进而将导通和开关能量损耗降低到 30 μJ/A 以下。它还可以降低热阻，从而实现更小的芯片和封装尺寸。FS4 IGBT 设计在 4 kW 升压转换器中表现出比第3代场截止 (FS3) 设计更好的轻负载功率效率，与最佳竞品的表现相当（图 11）。
图 11.4 kW 升压转换器中的场截止 4 (FS4) 效率
碳化硅的优势
SiC 的优势首先是材料本身具有比硅高 10 倍的介电击穿场强、高 2 倍的电子饱和速度、高 3 倍的能量禁带和高 3 倍的热导率（图 13）。系统优势体现为尽可能高的效率，通过降低功率损耗，提高功率密度和工作频率、降低工作温度和 EMI，以及最重要的降低系统尺寸和成本来实现。
基于 SiC 的太阳能逆变器系统以更小的外形实现了比硅基产品更好的性能。与硅 IGBT 相比，Eon 和 Eoff 损耗在高频开关期间显著降低。此外，与 IGBT 相比，SiC 在温度范围内的可靠性和稳定性更优。与超级结 MOSFET 相比，在高开关频率下使用 SiC 时，EMI 要低得多。高频运行期间增强的散热性能和更低的开关损耗减少了系统占用面积，从而使逆变器更轻。
图 12.碳化硅 (SiC) 与硅的比较（资料来源：Yole Development）
安森美 650 V SiC 分立器件相对于竞品，在 VGS 和温度两方面都具有更低的 Rds(ON)（图 14 和 15）。这些 SiC 组件还能够以负栅极电压驱动，提高抗噪性并避免半桥中的误导通。
图 13.RDS(ON) 比较（不同 VGS 时）（PN：NTH4L045N065SC1）
图 14.在不同的 VGS 和温度下比较 Rds(ON)（PN：NTH4L045N065SC1）
安森美是可提供从衬底到模块的端到端 SiC 供应商之一（图15）。凭借端到端垂直整合供应链和我们 SiC 技术的出色效率，我们为客户提供所需的供应保证，以支持未来快速增长的市场。
安森美 SiC 产品：从衬底到系统
图 15. 安森美提供从衬底到模块的端到端 SiC 技术
安森美助力客户加速太阳能逆变器系统设计
与许多应用一样，优化户用太阳能系统的方法并没有单一的最佳方案。了解不同方法和技术的优势并做出权衡并非易事。理想情况下，OEM 需要一个拥有广泛选项组合并结合实际行业专业知识的合作伙伴，以帮助确定特定应用的最佳解决方案。安森美拥有广泛的产品组合，可大幅简化太阳能系统的器件选择。
安森美提供完整的解决方案，如 SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 参考设计，适用于 40 W SiC 高压辅助电源。参考设计提供了快速启动产品开发和加快产品上市所需的各种设计文档（即用户手册、物料清单、Gerber 文件等）。可以通过安森美网站和安森美代理商获取这些参考设计。
SPICE 模型也可以提供给系统设计人员，以进行更高级的评估和开发。Spice 模型有助于研究电路、模块和管芯层面的反向恢复行为和寄生效应。这些模型还支持热仿真和自发热效应的探索。欲了解更多详情，请访问太阳能解决方案。
图 16.太阳能逆变器系统框图
太阳能发电和储能是减少碳排放和为我们的日常生活构建可持续能源的重要技术。为了在这个不断增长的市场中取得成功，OEM 需要灵活的解决方案来提高能源质量、效率和可靠性，同时降低安装和运营成本。有了像安森美这样值得信赖的合作伙伴，OEM 可以确保所用的太阳能产品将以尽可能低的成本提供满足客户需求所需的能效、可靠性和耐用性。
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