采用 SiC 提高住宅太陽能系統(tǒng)性能
預(yù)計(jì)在未來五年，住宅太陽能系統(tǒng)的數(shù)量將大幅增長。太陽能系統(tǒng)能為家庭提供清潔和綠色的能源，用于為家用電器供電，為電動(dòng)汽車充電，甚至將多余的電力輸送至電網(wǎng)。有了太陽能系統(tǒng)，即使發(fā)生電網(wǎng)故障，也不用擔(dān)心。本篇博客介紹了住宅太陽能系統(tǒng)的主要組成部分，并建議采用安森美 (onsemi) 的電源方案方案來提高太陽能系統(tǒng)的效率、可靠性和成本優(yōu)勢。
住宅太陽能逆變器系統(tǒng)概述
住宅太陽能逆變器系統(tǒng)中包括了產(chǎn)生可變直流電壓的光伏面板陣列。升壓轉(zhuǎn)換器使用“最大功率點(diǎn)跟蹤”(MPPT) 方法（根據(jù)陽光的強(qiáng)度和方向優(yōu)化能量采集），將可變直流電壓提升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)。
住宅太陽能逆變器類型多樣，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(gè) DC/AC 逆變器，每個(gè)逆變器連接到一個(gè)光伏面板，通?？僧a(chǎn)生高達(dá) 1 kW 的輸出功率。組串式逆變器系統(tǒng)將來自多個(gè)并行的光伏面板的輸入相結(jié)合。然而，連接幾個(gè)太陽能電池板的組串式逆變器的效率不如微型逆變器系統(tǒng)，因?yàn)槿绻渲幸粋€(gè)面板接收的光比串聯(lián)的其他面板少，則整個(gè)系統(tǒng)輸出都會(huì)受到影響。但成本會(huì)比每個(gè)面板都配備一個(gè)逆變器的微型逆變器系統(tǒng)便宜。
圖 1：微型逆變器系統(tǒng)（左）和組串式逆變器系統(tǒng)（右）的框圖
功率優(yōu)化器（集成 MPPT 的 DC−DC 轉(zhuǎn)換器）有助于提高組串式逆變器系統(tǒng)的效率。它將光伏面板的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為固定直流電壓，使得單個(gè)面板的低光伏輸出不會(huì)影響整體效率。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 對(duì)住宅太陽能系統(tǒng)至關(guān)重要。大多數(shù)情況下，能量的采集發(fā)生在用電需求最低的時(shí)候，即白天人們不在家時(shí)。使用電池儲(chǔ)存能量，就可以在需要時(shí)（晚上人們在家時(shí)）靈活用電。雙向轉(zhuǎn)換器將 BESS 連接到太陽能系統(tǒng)。白天，當(dāng)光伏面板發(fā)電時(shí)，轉(zhuǎn)換器為電池組充電。晚上，當(dāng)面板不發(fā)電時(shí)，雙向轉(zhuǎn)換器會(huì)將電池中儲(chǔ)存的能量釋放出來，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
圖 2：連接到太陽能系統(tǒng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS)
DC−DC 升壓變換器
單升壓 DC-DC 變換器是住宅系統(tǒng)中最常見的非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而反激式變換器常用于需要隔離的情況。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本較低，并且外形小巧。
DC-AC 變換器
逆變器可以使用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建，例如采用安森美 NXH75M65L4Q1 H6.5 IGBT 模塊的逆變器。該設(shè)計(jì)不需要變壓器，降低了整個(gè)系統(tǒng)的重量、尺寸和成本。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了由共模 (CM) 電壓作用于光伏陣列的寄生電容引起的漏電流問題。
圖 3：H6.5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于住宅太陽能逆變器
雙向 DC−DC 變換器
雙向 DC-DC 變換器對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池進(jìn)行充電和放電。這通常使用諧振 CLLC 或雙有源橋或者搭配簡單的buck-boost隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它支持廣泛的輸入和輸出電壓，并使用零電壓開關(guān) (ZVS) 來提高效率。此外還將通過電池組與光伏面板隔離來保障安全性。
用于太陽能系統(tǒng)的 IGBT
安森美提供用于住宅太陽能系統(tǒng)的 600 V 和 650 V IGBT。這些 IGBT 采用了窄臺(tái)面、寬溝槽 Field Stop 4 (FS4) 技術(shù)，提供閂鎖抗擾度和更小的柵極電容。場截止層能夠提高耐壓能力并且減少漂移層厚度，反過來也可以減少導(dǎo)通和開關(guān)損耗至小于30J/A。它還降低了熱阻，允許更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT設(shè)計(jì)在4kW升壓轉(zhuǎn)換器中表現(xiàn)出比Field Stop 3（FS3）設(shè)計(jì)更好的輕負(fù)載功率效率，與最佳競爭對(duì)手不相上下。這些功能有助于實(shí)現(xiàn)更高功率效率的太陽能逆變器。
圖 4：用于太陽能系統(tǒng)的安森美功率半導(dǎo)體
碳化硅進(jìn)一步提高了住宅太陽能系統(tǒng)的性能
碳化硅 (SiC) 器件能夠給住宅太陽能系統(tǒng)帶來更小尺寸的逆變器，同時(shí)提供比硅基器件更好的性能。安森美650 V EliteSiC 分立 MOSFET 在不同VGS 和溫度上都具有低 RDS(ON)，我們建議使用負(fù)柵極電壓來驅(qū)動(dòng)，這不僅提高了抗噪性能，也避免了在橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用時(shí)的導(dǎo)通錯(cuò)誤。
圖 5：SiC 器件可以提高住宅太陽能逆變器的性能
加速工程師設(shè)計(jì)住宅太陽能系統(tǒng)
安森美提供廣泛的產(chǎn)品和工具組合，有助于簡化太陽能系統(tǒng)的組件選擇，包括 SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC 高壓輔助電源等參考設(shè)計(jì)。其中包括加快產(chǎn)品開發(fā)所需的各種資源（用戶手冊、物料清單、Gerber 文件等）。安森美還可為希望執(zhí)行更進(jìn)階的系統(tǒng)評(píng)估和開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供 SPICE 模型。