Weltweit entscheiden sich Gesellschaften zunehmend für erneuerbare Energiequellen, sofern diese verfügbar sind. Verbraucher und Unternehmen, ob groß oder klein, betrachten Solarenergie als eine praktikable, saubere und praktische Energiequelle. Die Gewinnung von Solarenergie mit Hilfe von Photovoltaikmodulen bietet einen skalierbaren Ansatz für erneuerbare Energien, sei es für eine kompakte Anlage auf dem Dach eines Eigenheims oder eine größere Anlage auf einem gewerblichen Gebäude. Dieser Artikel beschreibt, wie Wolfspeed SiC die Infrastruktur für Solarenergie verändert.
Die Bedeutung einer hocheffizienten Energieumwandlung
Das Einfangen der Sonnenenergie und ihre Umwandlung in die übliche Netzwechselspannung erfolgt in mehreren Schritten, die jeweils mit Verlusten verbunden sind. Verluste bei der Energieumwandlung manifestieren sich auf unterschiedliche Weise, z. B. als Abwärme und Spannungsabfall, führen aber insgesamt zu einer mangelhaften Effizienz der Umwandlung. Es wird also weniger Energie gewonnen, als zugeführt wird.
Die Entwicklung einer effizienten Architektur zur Energieumwandlung ist von größter Bedeutung. Um Verluste zu reduzieren, bedarf es eines genauen Verständnisses ihres Auftretens. Dazu zählen I2R-Leiterverluste, Leitungsverluste von Halbleitern und Verluste in zugehörigen passiven Komponenten. Abwärme ist in der Regel das Ergebnis von Energieverlusten und muss über Kühlkörper oder forcierte Luftkühlung abgeführt werden. Dies führt zu zusätzlichem Gewicht und Kosten und vergrößert den Platzbedarf. Darüber hinaus sinkt die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten bei hohen Betriebstemperaturen, was teure Ausfallzeiten und potenzielle Umsatzeinbußen zur Folge haben kann.
Halbleiter auf Siliziumbasis haben von Anfang an dominiert. Der Bedarf an einer kompakteren, effizienteren und kostengünstigeren Energieumwandlung hat jedoch die Forschung an neuen Halbleitertechnologien vorangetrieben. Im Vergleich zu Silizium arbeiten Materialien mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) mit höheren Schaltfrequenzen und höheren Spannungen und haben einen größeren Betriebstemperaturbereich, was kleinere, kompaktere Designs und eine höhere Leistungsdichte auf Systemebene ermöglicht.
Vergleich von Anwendungsfällen für Solarwechselrichter
Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (insulated-gate bipolar transistors, IGBTs) auf Siliziumbasis kamen in der Vergangenheit als Hochleistungsschalttransistoren in Wechselrichtern für Solar- und Energiespeichersysteme zum Einsatz. Die 650-V- und 1200-V-SiC-MOSFETs von Wolfspeed und die zugehörigen SiC-Dioden bieten jedoch erhebliche Vorteile, darunter eine Reduzierung der Systemverluste um 70 %, eine Gewichtsreduzierung um 80 % (bei einem 60-kW-Wechselrichter) und eine Senkung der Systemkosten um bis zu 15 %. Darüber hinaus weisen die SiC-MOSFETs von Wolfspeed eine branchenführende Rds(on)-Charakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur auf und verfügen über einen um 30 % geringeren Spitzensperrstrom im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Silizium.
Abbildung 1 veranschaulicht die übergeordnete Architektur eines 60-kW-Solarwechselrichters und Energiespeichersystems. Drei der Funktionsstufen erfordern Schalthalbleiter: ein 800-Vout-MPPT-Boost, ein 400-VAC-3-Phasen-Wechselrichter und das 400-V-Akkuladegerät/Energiespeichersystem (ESS). Im Vergleich zu IGBTs führt der kombinierte Einsatz von SiC-MOSFETs und SiC-Dioden von Wolfspeed zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Systems um 3 %. Dies entspricht einer Reduzierung der Systemverluste um 70 %.
Abbildung 1: Die übergeordnete funktionale Architektur eines kommerziellen 60-kW-Solarwechselrichters und Energiespeichersystems
Abbildung 2 veranschaulicht die Effizienzgewinne, die Leistungsdichte und die Reduzierung des Leistungsverlusts in jeder Stufe. In diesem Beispiel wird der SiC-MOSFET von Wolfspeed mit einer Frequenz von 45 kHz betrieben, der IGBT dagegen mit 16 kHz.
Abbildung 2: Vergleich von Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Reduzierung der Leistungsverluste zwischen den SiC-basierten Elementen von Wolfspeed und einem hybriden SiC- bzw. reinen Silizium-basierten Ansatz
Die SiC-MOSFETs von Wolfspeed, wie z. B. das Bauelement C3M0040120K 1200 V, das in der 30-kW-Boost-Sektion in Abbildung 2 verwendet wird, können mit viel höheren Schaltfrequenzen als IGBTs betrieben werden, was die Verwendung kleinerer Induktoren und kapazitiver Komponenten ermöglicht und somit zu einer weiteren Reduzierung des Platzbedarfs des Umrichters beiträgt. Ergänzend zu den SiC-MOSFETs bieten die SiC-Dioden von Wolfspeed, wie die 1200-V-Schottky-Diode des Typs C4D30120H, eine effiziente Paarung. Wechselrichter, die für den Einsatz von SiC-MOSFETs und SiC-Dioden von Wolfspeed entwickelt wurden, sind bis zu 80 % leichter als IGBT-basierte Geräte. So wiegt ein 60-kW-IGBT-Wechselrichter beispielsweise 173 kg, ein Wechselrichter auf Siliziumkarbidbasis von Wolfspeed dagegen nur 33 kg. Diese Gewichtsreduzierung bietet einen erheblichen Vorteil bei der Montage, da für die Installation eines IGBT-Systems ein Kran und mehrere Personen erforderlich wären. Die Installation und Inbetriebnahme eines SiC-Wechselrichters erfordert aufgrund der Gewichtsreduzierung weniger Arbeitskräfte, die Gesamtkosten für die Implementierung sinken, und der Prozess ist wesentlich produktiver.
Abbildung 3: Entwerfen Sie mit den SiC-Lösungen von Wolfspeed bis zu 80 % leichtere Wechselrichter
Die Vorteile der Verwendung von SiC-MOSFETs von Wolfspeed für einen dreiphasigen 60-kW-Solarwechselrichter gelten auch für kleinere einphasige Wechselrichter für Solaranlagen von Wohngebäuden. In einem Wechselrichter für Wohngebäude vereinfacht die Verwendung von SiC das Design des Wechselrichters. Dank der reduzierten Rückspeiseverluste der SiC-MOSFETs von Wolfspeed lassen sich die Verluste um mehr als 80 % verringern.
Abbildung 4 stellt den Aufwärtswandler für das Maximum Power Point Tracking (MPPT) und die Wechselrichterstufen eines einphasigen 7-kW-Wechselrichters für Wohngebäude dar. Die Boost-Funktion ist ein wichtiger Aspekt eines jeden Solarwechselrichters, da die Eingangsspannung der Module im Tagesverlauf aufgrund wechselnder Wetterbedingungen stark schwanken kann. Durch die Erhöhung der Eingangsspannung des Wechselrichters auf konstante 400 V kann das System effizienter arbeiten und der Wechselrichter liefert eine zuverlässige Ausgangsspannung von 220 VAC. Der Wechselrichter mit Heric-Topologie verwendet vier 650-V-SiC-MOSFETs der Baureihe C3M0045065K von Wolfspeed, die die Verluste im Vergleich zu Geräten mit IGBTs um 17 % reduzieren. Für die Boost-Funktion kommen die 650-V-SiC-Schottky-Dioden des Typs C6D16065D von Wolfspeed zum Einsatz. Im Vergleich zu anderen Siliziumdioden weist die Diode von Wolfspeed keine Sperrspannungsänderung auf. Dies ermöglicht ultraschnelle Schaltvorgänge, den geringsten Durchlassspannungsabfall über die Temperaturkennlinie und ein temperaturunabhängiges Schaltverhalten.
Abbildung 4: Die MPPT-Boost- und Wechselrichterstufen eines einphasigen 7-kW-Solarwechselrichters für Wohngebäude
Um die Entwicklung eines einphasigen Solarwechselrichters zu beschleunigen, bietet Wolfspeed ein Referenzdesign für einen 60-kW-Aufwärtswandler an. Das Referenzdesign CRD-60DD12N umfasst den Schaltplan, das Leiterplattenlayout und die Stückliste und verwendet die 1200-V-SiC-MOSFETs des Typs C3M0075120K von Wolfspeed und die 1200-V-SiC-Schottky-Dioden des Typs C4D10120D von Wolfspeed. Das 60-kW-Design kann mit Schaltfrequenzen von bis zu 78 kHz betrieben werden und erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von bis zu 99,5 %.
SiC-Designressourcen von Wolfspeed
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