Onduleurs solaires
Vue d'ensemble
Le marché photovoltaïque nécessite des convertisseurs DC/DC qui ajustent la tension d'entrée solaire au niveau du lien DC ou de la batterie et des convertisseurs DC/AC (onduleurs) pour fournir l'énergie solaire au réseau public.
Il existe quelques grands types d'architecture d'onduleurs solaires sur le marché :
- Onduleurs de branche monophasés pour les zones résidentielles de quelques kVA. Voir la figure 1.
- Onduleurs triphasés multi-chaînes pour les systèmes résidentiels, commerciaux et à grande échelle. La plupart sont constitués d'un convertisseur élévateur DC/DC d'entrée avec un ou plusieurs trackers MPP (Maximum Power Point) et d'un onduleur dans l'étage de sortie. Les niveaux inférieurs à 100 ou 200 kVA sont typiques. Voir la figure 2.
- Les micro-onduleurs se composent d'un seul panneau solaire et d'un seul onduleur. Il n'y a pas de courant continu à haute tension comme dans les onduleurs de branche. La fiabilité est meilleure car si un ou deux micro-onduleurs tombent en panne, les autres continuent à produire de l'électricité. Voir la figure 1.
- Les optimiseurs de puissance CC se situent entre les onduleurs de branche et les micro-onduleurs avec une tension typique de 400V. Voir la figure 1.
Figure 1 : Onduleurs centraux (ou de branche), micro-onduleurs et optimiseurs de puissance. (Avec l'aimable autorisation de solartribune.com)
Figure 2 : Onduleur triphasé à branches multiples (schéma fourni par Semikron)
Options de conception des onduleurs : Silicium contre large bande passante
Tout est question de taille, de poids et de puissance (SWaP)
Les matériaux semi-conducteurs WBG permettent d'obtenir des composants électroniques de puissance plus petits, plus rapides et plus fiables, avec un rendement supérieur à celui de leurs homologues à base de silicium. Ces capacités permettent de réduire le poids, le volume et les coûts du cycle de vie dans une large gamme d'applications de puissance.
Les WBG ont des courants de fuite intrinsèques plus faibles et des températures de fonctionnement plus élevées que les dispositifs en Si. Cela est dû à des bandes interdites (Eg) plus élevées dans les dispositifs WBG que dans les dispositifs Si.
Le WBG a une tension de claquage plus élevée et une perte de puissance plus faible que le Si en raison de la région de dérive 10x plus petite du WBG. Cela permet d'obtenir un Rds(on) plus faible pour une surface donnée avec les semi-conducteurs WBG par rapport aux semi-conducteurs Si.
Le WBG fonctionne à des vitesses plus rapides et à des pertes de commutation plus faibles que le Si, ce qui permet de concevoir des architectures avec des magnétiques et des dissipateurs thermiques plus petits, réduisant ainsi la taille, le poids et le coût total de la nomenclature.
Avantages du WBG pour les onduleurs solaires
La conversion du courant continu en courant alternatif, dans les projets d'énergie solaire, est effectuée à l'aide d'onduleurs, qui doivent être extrêmement efficaces (plus de 97 %) et durer très longtemps (dans certains cas, plus de 25 ans). Pour atteindre ces paramètres de performance, il faut utiliser des transistors de puissance WBG en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN).
La conception d'onduleurs solaires avec des dispositifs WBG améliorera les architectures en éliminant jusqu'à 90 % des pertes de puissance dans un onduleur de courant continu à courant alternatif.
Les onduleurs solaires peuvent être situés dans des environnements difficiles, à température ambiante élevée. Les températures de fonctionnement plus élevées du WBG peuvent permettre une plus grande fiabilité de ces systèmes. Les onduleurs solaires utilisant des dispositifs WBG seront également plus légers en raison de la réduction des besoins magnétiques et thermiques. La conception plus légère et plus compacte des onduleurs permet de les soulever et de les manœuvrer plus facilement lors de l'installation et d'éventuelles réparations. La figure 1 compare la taille d'un onduleur de 50 kW à base de Si IGBT à celle d'un onduleur à base de SiC. Les onduleurs sont généralement 60 % plus petits et 10 fois plus légers, comme le montre la figure 3 ci-dessous.
Figure 3 : Le carbure de silicium permet d'obtenir un onduleur solaire photovoltaïque plus petit, plus léger, à densité de puissance plus élevée et d'un coût global inférieur à celui du silicium.
(Image reproduite avec l'aimable autorisation de Wolfspeed)
Module de puissance ou composants discrets ?
La topologie et les composants doivent être soigneusement sélectionnés pour trouver le bon équilibre entre coût et performance. Le coût des composants peut être une préoccupation dans les deux cas, mais si nous prenons en compte les coûts de fabrication, le rendement de production, la densité de puissance, l'amélioration de la fiabilité et les performances thermiques dans l'équation, l'utilisation de modules de puissance peut être une proposition attrayante.
Un module de puissance peut offrir une solution validée et spécifiée, tandis qu'une conception discrète permet une plus grande personnalisation de l'application.
Les modules de puissance peuvent potentiellement intégrer plus de fonctionnalités, parfois dans un encombrement réduit. Les modules permettent de placer plusieurs puces à proximité les unes des autres, dans une configuration compacte, afin de maximiser les performances et l'espace. Des composants supplémentaires tels que des diodes SiC SBD, des résistances de grille et des condensateurs peuvent également être inclus. De multiples topologies standard et personnalisées sont disponibles, notamment demi-pont, pont complet, six-pack et trois niveaux, pour n'en citer que quelques-unes. La figure 4 ci-dessus montre l'intérieur d'un module de puissance en demi-pont utilisant 5 SiC parallèles dans chaque position de commutation.
Les conceptions discrètes sont généralement moins coûteuses dans les applications de faible puissance où moins de pièces discrètes sont utilisées en parallèle pour répondre aux exigences actuelles. Lorsque la puissance augmente, il faut davantage de composants discrets, ce qui entraîne une augmentation des coûts d'assemblage et une baisse potentielle de la fiabilité. Les conceptions discrètes peuvent également permettre un agencement plus souple de la carte autour des zones de composants fixes dans une conception d'onduleur.
Figure 4 : Module demi-pont SiC de Wolfspeed illustrant une configuration compacte
Conclusion
Lorsque l'énergie solaire en était à ses balbutiements, les onduleurs avaient tendance à être centralisés avec des capacités supérieures à 100 kW. Plus récemment, cette tendance a changé et les opérateurs préfèrent utiliser des chaînes d'onduleurs de moins de 100 kW. Dans tous les cas, l'architecture est similaire : un convertisseur élévateur DC/DC pour augmenter la tension du panneau PV et un onduleur DC/AC qui génère une tension AC à la bonne fréquence pour le réseau local (50 Hz / 60 Hz). Le système ajoute également des circuits de protection et une surveillance/contrôle sophistiquée pour garantir une efficacité maximale.
Si la topologie choisie pour l'onduleur a un impact sur le rendement, les principaux dispositifs de commutation à semi-conducteurs (MOSFETs WBG et Si, IGBTs et diodes) sont essentiels pour atteindre le rendement requis pour les applications d'énergie solaire d'aujourd'hui. Au début, le silicium (Si) était le principal matériau utilisé et, après des années d'innovations progressives, cette technologie a atteint un point où très peu d'améliorations supplémentaires sont possibles.
Les fabricants de semi-conducteurs ont exploré d'autres matériaux pour construire les futurs dispositifs de commutation. Les matériaux à large bande interdite (WBG), notamment le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ont connu un grand succès en raison de leurs propriétés qui conviennent parfaitement à la mise au point de dispositifs semi-conducteurs efficaces.
Les matériaux WBG ont une résistance à l'enclenchement intrinsèquement plus faible que les dispositifs à base de silicium, ce qui réduit les pertes statiques lors de la conduction continue. Lorsque les fréquences de commutation augmentent pour réduire la taille des composants magnétiques, la technologie WBG améliore encore l'efficacité car la charge de grille est réduite par rapport au silicium, ce qui réduit également les pertes dynamiques.
