Inverter per l'energia solare
Panoramica
Il mercato fotovoltaico richiede convertitori DC/DC che regolano la tensione solare in ingresso al livello del DC-link o della batteria e convertitori DC/AC (inverter) per fornire l'energia solare alla rete pubblica.
Esistono alcuni tipi di architettura chiave di inverter solari sul mercato:
- Inverter di stringa monofase per aree residenziali con pochi kVA. Vedi figura 1.
- Inverter trifase multi-stringa per sistemi residenziali, commerciali e utility-scale. La maggior parte consiste in un convertitore boost DC/DC in ingresso con uno o più inseguitori del punto di massima potenza (MPP) e un inverter nello stadio di uscita. I livelli tipici sono compresi tra 100 e 200kVA. Si veda la figura 2.
- I microinverter sono costituiti da un singolo pannello solare e da un singolo inverter. Non c'è alimentazione ad alta tensione in corrente continua come negli inverter di stringa. L'affidabilità è migliore in questo caso, poiché se uno o due microinverter si guastano, gli altri continuano a produrre energia. Vedere la figura 1.
- Gli ottimizzatori di potenza in corrente continua si collocano tra gli inverter di stringa e i microinverter, con una tensione tipica di 400V. Vedere la figura 1.
Figura 1: Inverter centrali (o di stringa), microinverter e ottimizzatori di potenza. (Per gentile concessione di solartribune.com)
Figura 2: Inverter trifase a più stringhe (Schema per gentile concessione di Semikron)
Opzioni di progettazione degli inverter: Silicio vs Wide Bandgap
È tutta una questione di dimensioni, peso e potenza (SWaP)
I materiali semiconduttori WBG consentono di realizzare componenti elettronici di potenza più piccoli, più veloci e più affidabili, con un'efficienza superiore rispetto alle loro controparti a base di Si. Queste capacità consentono di ridurre il peso, il volume e i costi del ciclo di vita in un'ampia gamma di applicazioni di potenza.
I WBG presentano correnti di dispersione intrinseche più basse e temperature di esercizio più elevate rispetto ai dispositivi Si. Ciò è dovuto al bandgap (Eg) più elevato nei dispositivi WBG rispetto a quelli Si.
Il WBG ha una tensione di breakdown più elevata e una perdita di potenza inferiore rispetto al Si, grazie alla regione di deriva del WBG 10 volte più piccola. Ciò consente di ottenere una Rds(on) più bassa per una data area con i semi WBG rispetto al Si.
Il WBG opera a velocità più elevate e con perdite di commutazione inferiori rispetto al Si, consentendo di realizzare architetture con magneti e dissipatori di calore più piccoli, riducendo così le dimensioni, il peso e il costo totale della distinta base.
Vantaggi WBG negli inverter solari
La conversione da corrente continua a corrente alternata, nei progetti per l'energia solare, avviene tramite inverter, che devono essere estremamente efficienti (oltre il 97%) e durare a lungo (in alcuni casi oltre 25 anni). Per ottenere questi parametri di prestazione, è necessario utilizzare transistor di potenza WBG in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN).
La progettazione di inverter solari con dispositivi WBG migliorerà le architetture con l'eliminazione fino al 90% delle perdite di potenza in un inverter di potenza DC-to-AC.
Gli inverter solari possono essere collocati in ambienti difficili e con temperature ambientali elevate. Le temperature di esercizio più elevate di WBG possono consentire una maggiore affidabilità di questi sistemi. Gli inverter solari che utilizzano i dispositivi WBG saranno anche più leggeri grazie ai magneti più piccoli e ai requisiti termici. Un design più leggero e compatto dell'inverter consente di sollevarlo e manovrarlo più facilmente durante l'installazione e le eventuali riparazioni. La Figura 1 mostra un confronto delle dimensioni di un progetto da 50kW basato su IGBT Si rispetto a un progetto basato su SiC. In genere le dimensioni sono inferiori del 60% e il peso è 10 volte inferiore, come illustrato nella Figura 3, qui sotto.
Figura 3: Il carburo di silicio consente di realizzare inverter fotovoltaici più piccoli, più leggeri, con una maggiore densità di potenza e un costo complessivo del sistema inferiore rispetto al silicio.
(Immagine per gentile concessione di Wolfspeed)
Modulo di alimentazione o componenti discreti?
La topologia e i componenti devono essere scelti con cura per trovare il giusto equilibrio tra costi e prestazioni. I costi dei componenti possono essere un problema in entrambi i casi, ma se si considerano i costi di produzione, la resa produttiva, la densità di potenza, l'affidabilità migliorata e le prestazioni termiche, l'uso dei moduli di potenza può essere una proposta interessante.
Un modulo di potenza può offrire una soluzione convalidata e specificata, mentre un progetto discreto consente una maggiore personalizzazione dell'applicazione.
I moduli di potenza possono potenzialmente integrare più funzionalità, a volte in un ingombro ridotto. I moduli consentono di collocare più die vicini tra loro, in una configurazione di layout compatta, per massimizzare le prestazioni e lo spazio. Possono essere inclusi anche componenti aggiuntivi come diodi SiC SBD, resistenze di gate e condensatori. Sono disponibili diverse topologie standard e personalizzate, tra cui half-bridge, full-bridge, six-pack e 3-level, solo per citarne alcune. La Figura 4, qui sopra, mostra l'interno di un modulo di potenza half-bridge che utilizza 5 SiC in parallelo in ogni posizione di commutazione.
I progetti discreti sono in genere meno costosi nelle applicazioni a bassa potenza, dove si utilizzano meno componenti discreti in parallelo per soddisfare i requisiti di corrente. All'aumentare della potenza sono necessari più dispositivi discreti e aumentano i costi di assemblaggio e la potenziale minore affidabilità. I progetti discreti possono anche consentire un layout della scheda più flessibile attorno alle aree dei componenti fissi in un progetto di inverter.
Figura 4: Modulo Wolfspeed SiC a mezzo ponte che illustra la configurazione compatta del layout
Conclusione
Quando l'energia solare era agli albori, gli inverter tendevano alla centralizzazione con capacità superiori a 100 kW. In tempi più moderni questa tendenza è cambiata e gli operatori preferiscono utilizzare stringhe di inverter da meno di 100 kW. In tutti i casi, l'architettura è simile a quella di un convertitore boost DC/DC per aumentare la tensione del pannello fotovoltaico e di un inverter DC/AC che genera una tensione CA alla frequenza corretta per la rete locale (50 Hz / 60 Hz). Il sistema aggiunge anche circuiti di protezione e un sofisticato monitoraggio/controllo per garantire la massima efficienza.
Anche se la topologia scelta per l'inverter avrà un impatto sull'efficienza, i dispositivi di commutazione a semiconduttore primari (MOSFET WBG e Si, IGBT e diodi) sono fondamentali per raggiungere l'efficienza necessaria per le attuali applicazioni di energia solare. Agli albori, il silicio (Si) era il materiale principale utilizzato e, grazie ad anni di innovazioni incrementali, questa tecnologia ha raggiunto un punto in cui è possibile un miglioramento minimo.
I produttori di semiconduttori hanno esplorato altri materiali con cui costruire i futuri dispositivi di commutazione. I materiali a banda larga (WBG), tra cui il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC), si sono imposti per le loro proprietà, ideali per lo sviluppo di dispositivi semiconduttori efficienti.
I materiali WBG hanno una resistenza di accensione intrinsecamente più bassa rispetto ai dispositivi basati su Si, riducendo le perdite statiche durante la conduzione continua. Con l'aumento delle frequenze di commutazione per ridurre le dimensioni dei componenti magnetici, la tecnologia WBG migliora ulteriormente l'efficienza in quanto la carica di gate è ridotta rispetto al silicio, riducendo anche le perdite dinamiche.
