優(yōu)化住宅太陽能系統(tǒng)能效、可靠性和成本

《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》于2022年4月1日起開始實施，其中明確：新建建筑應安裝太陽能系統(tǒng)，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，也有越來越多的國家開始強制要求新住宅安裝太陽能系統(tǒng)。太陽能市場預計在未來十年內將出現(xiàn)驚人的增長也就不足為奇了。預計 2021 年至 2025 年光伏逆變器市場容量將達到近 1 太瓦，總市值達 540 億美元。根據太陽能行業(yè)研究數(shù)據，與儲能系統(tǒng)配對的住宅和商業(yè)太陽能系統(tǒng)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，而太陽能系統(tǒng)成本在 5 年期間降低約 33% ，推動太陽能住宅市場的增長。

圖 1.太陽能系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)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)太陽能系統(tǒng)（圖 2）。

圖 2. 用于太陽能系統(tǒng)的安森美功率半導體

住宅太陽能系統(tǒng)：概述

住宅太陽能有很多好處，包括通過可靠清潔的綠色能源為家用電器供電、為電動汽車充電，以及向電網傳輸電力。

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

有幾種住宅太陽能逆變器。最常見的是微型逆變器和組串式逆變器。基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)利用多個 DC/AC 逆變器，每個逆變器連接到一個面板，產生不超過 1 kW 的輸出（圖 3）。因為每個面板都有一個逆變器，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(tǒng)易于擴展，因為所需的能量容量決定了所需逆變器的數(shù)量。

圖 3.基于微型逆變器的太陽能系統(tǒng)

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

圖 4.基于串式逆變器的太陽能系統(tǒng)

為了解決這些效率低下問題，用戶可以引入功率優(yōu)化器（圖 5）。功率優(yōu)化器基本上是一個帶有集成 MPPT 的 DC-DC 轉換器，可將來自 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面板，為用戶提供了一種靈活的方式來適應低 PV 輸出，而不會影響其他連接面板的效率。

圖 5.連接到各個面板的功率優(yōu)化器

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

將 BESS 連接到太陽能系統(tǒng)就形成了一個雙向轉換器。當面板發(fā)電時，該轉換器可為鋰離子或鉛酸電池陣列充電。當面板不產生能量時，例如在夜間，雙向轉換器可以釋放存儲的能量來驅動連接的負載。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。通過這種方法，用戶可以采購模塊化儲能系統(tǒng)，它們可以輕松添加到現(xiàn)有太陽能系統(tǒng)中，而無需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行重大改動。

圖 6.連接到太陽能系統(tǒng)的電池儲能系統(tǒng) (BESS)

DC-DC 升壓轉換器

為了實現(xiàn)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。對于太陽能住宅轉換器，最常見的非隔離拓撲結構是單升壓轉換器。一種常見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單的電路和簡單的控制算法。

圖 7.用于隔離和非隔離 MPPT DC/DC 轉換器的電源開關

DC-AC 轉換器

逆變器可以基于多種拓撲結構。對于住宅市場，使用的常見拓撲結構是 HERIC H6.5 轉換器，使用安森美 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊進行實施（圖 8）。使用基于 HERIC 的拓撲結構，可以實現(xiàn)無變壓器設計，從而降低整體系統(tǒng)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(tǒng)中的電池進行充電和放電。該轉換器通常是諧振 CLLC 或DAB降壓-升壓隔離拓撲結構，為太陽能系統(tǒng)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 ZVS（零電壓開關）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

安森美電源產品為高效太陽能逆變器帶來價值

安森美在硅 MOSFET 中采用了屏蔽柵極溝槽技術（圖 10）。這項創(chuàng)新通過在柵極上加入屏蔽多晶硅結構來增強垂直溝槽設計，從而降低電阻和電容，從而降低開關損耗和導通損耗。較低的開關損耗和導通損耗有利于太陽能電池陣列和電網之間實現(xiàn)最大功率傳輸。使用較低的動態(tài)電容，電源轉換系統(tǒng)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源組件（即電感）的重量，這對于節(jié)省成本至關重要。為了增強可靠性，屏蔽柵極技術采用了內部緩沖電路，可抑制開關轉換期間的電壓過沖，從而降低開關噪聲。

硅 MOSFET 的封裝結構改善了整個系統(tǒng)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(tǒng)可靠性和壽命。

圖 10.硅 MOSFET 屏蔽柵極溝槽技術

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代場截止  (FS4) 技術，具有閂鎖抗擾度和更小的柵極電容。場截止層增加了阻擋能力并減少了漂移層厚度，進而將導通和開關能量損耗降低到 30 μJ/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 設計在 4 kW 升壓轉換器中表現(xiàn)出比第3代場截止 (FS3) 設計更好的輕負載功率效率，與最佳競品的表現(xiàn)相當（圖 11）。

圖 11.4 kW 升壓轉換器中的場截止 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(tǒng)優(yōu)勢體現(xiàn)為盡可能高的效率，通過降低功率損耗，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(tǒng)尺寸和成本來實現(xiàn)。

基于 SiC 的太陽能逆變器系統(tǒng)以更小的外形實現(xiàn)了比硅基產品更好的性能。與硅 IGBT 相比，Eon 和 Eoff 損耗在高頻開關期間顯著降低。此外，與 IGBT 相比，SiC 在溫度范圍內的可靠性和穩(wěn)定性更優(yōu)。與超級結 MOSFET 相比，在高開關頻率下使用 SiC 時，EMI 要低得多。高頻運行期間增強的散熱性能和更低的開關損耗減少了系統(tǒng)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，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）（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 技術的出色效率，我們?yōu)榭蛻籼峁┧璧墓ＷC，以支持未來快速增長的市場。

安森美 SiC 產品：從襯底到系統(tǒng)

圖 15. 安森美提供從襯底到模塊的端到端 SiC 技術

安森美助力客戶加速太陽能逆變器系統(tǒng)設計

與許多應用一樣，優(yōu)化戶用太陽能系統(tǒng)的方法并沒有單一的最佳方案。了解不同方法和技術的優(yōu)勢并做出權衡并非易事。理想情況下，OEM 需要一個擁有廣泛選項組合并結合實際行業(yè)專業(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品組合，可大幅簡化太陽能系統(tǒng)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產品開發(fā)和加快產品上市所需的各種設計文檔（即用戶手冊、物料清單、Gerber 文件等）?？梢酝ㄟ^安森美網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(tǒng)設計人員，以進行更高級的評估和開發(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，請訪問太陽能解決方案。

圖 16.太陽能逆變器系統(tǒng)框圖

太陽能發(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(xù)能源的重要技術。為了在這個不斷增長的市場中取得成功，OEM 需要靈活的解決方案來提高能源質量、效率和可靠性，同時降低安裝和運營成本。有了像安森美這樣值得信賴的合作伙伴，OEM 可以確保所用的太陽能產品將以盡可能低的成本提供滿足客戶需求所需的能效、可靠性和耐用性。