全球能源行业正处在一场持续而深刻的变革之中——即从化石燃料能源,向可再生能源的转变。这个过程尽管曲折,但是对于大趋势大家早已有了共识,加之近年来智能电网、储能系统等关键威廉希尔官方网站 的发展,进一步扫清了可再生能源部署和应用的障碍,其未来的发展势头将更为迅猛。
根据国际能源署(IEA)新近发布的《2024年可再生能源》报告,2024年至2030年期间,全球将增加超过5,500GW的可再生能源装机容量,几乎是2017年至2023年增幅的三倍,届时可再生能源将满足全球近一半的电力需求。
从威廉希尔官方网站 角度来看,在各个可再生能源类别中,太阳能的发展非常抢眼——从图1可以看到,其增长曲线更为“陡峭”——预计从现在到2030年,太阳能光伏发电将占全球可再生能源发电量增长的80%。
图1:全球可再生能源发展趋势
(资料来源:IEA)
之所以太阳能光伏发电如此受追捧,是因为其具有三个显著的优势:
1
易获取:能量来自于持续不断供能的太阳,相较于其他可再生能源,受环境因素影响更小,获取也更为便利。
2
零排放:电能由太阳能光伏面板转化而来,更为清洁,有利于“双碳”目标的实现。
3
低成本:光伏发电系统建设和部署的综合成本较低,适用于大、中、小、微各类装机容量,而且建成后的发电和维护成本也较低。
正因为上述这些优势,太阳能光伏基础设施的建设和部署热度不减,除了传统的大型太阳能发电厂,近年来面向家庭(如屋顶太阳能发电)和公用设施(如太阳能路灯)的分布式光伏设施也是遍地开花,由此也带旺了整个太阳能光伏行业上下游的产业。
光伏逆变器市场趋势
众所周知,在整个光伏系统中,处于核心地位的就是太阳能光伏逆变器,其作用是将光伏太阳能板产生的可变直流电压,转换为市电频率交流电,并入电网或者直接离网供电。
光伏逆变器通常分为集中式、组串式、微型几种类型。其中集中式光伏逆变器支持高功率场景,通常应用在大型光伏电站中,市场定位比较“高冷”。而与之相较,微型和组串式逆变器多用于中、小容量的供电,定位更为“亲民”,也是近年来光伏逆变器市场上的热点。
其中,微型光伏逆变器主要用于住宅发电,同时也广泛应用于路灯和交通灯等城市基础设施的供电,未来的市场潜力巨大。而组串式逆变器具有灵活且易于安装的特点,可根据应用的要求“组合”出不同功率等级的解决方案,很好地契合了光伏逆变器市场“单套设备功率等级/功率密度不断提高,单价和体积却越来越小”的需求,因此渐成光伏逆变器市场的主流,近年来组串式逆变器的新增装机容量已经超过了集中式逆变器。
由此,敏锐的厂商在未来一定会将微型和组串式逆变器作为市场发力点。
图2:组串式(下)和集中式(上)逆变器比较
(图源:安森美)
光伏逆变器的开发挑战
想要做好太阳能光伏逆变器的开发,首先需要了解其功能和架构。以组串逆变器系统为例,其主要架构包括三个部分:
太阳能电池板阵列
完成光伏能量转换,输出直流电压。
将光伏电池板的输出电压提升至直流链路工作电平;同时实现MPPT(极大功率点跟踪)功能,在不同的环境和光照条件下实现更优的光伏发电量。
将直流链路中的直流高压,转换为市电交流电压,驱动本地负载或并入公共电网。
图3:光伏逆变器功率转换架构
(图源:安森美)
不过,如果你以为上述几个部分就是光伏逆变器的全部,那就想得太简单了。实际上,图3仅展示了作为光伏逆变器系统核心的大功率转换部分,一个完整的光伏逆变器想要实现精确、高效且安全、可靠的功率转化,还要有传感监测、控制、栅极驱动、电源管理,以及通信接口等功能电路的支持(如图4),是一个比较复杂的系统,设计时需要考量的因素也很多。
图4:光伏逆变器系统架构
(图源:安森美)
了解了太阳能光伏逆变器系统架构,在确定设计蓝图之前,还要进一步把握其发展的威廉希尔官方网站 趋势,这样才会让自己的设计不“落伍”且具有足够的竞争力。
具体来讲,当今光伏逆变器的威廉希尔官方网站 趋势有三点:
1
第三代宽禁带半导体器件(如SiC)的引入。与传统的硅基MOSFET / IGBT相比,SiC器件可以提供更大的功率密度、更高的效率、更小的尺寸、更出色的热性能,在高电压应用中可简化拓扑结构,提升系统性能,是未来发展的大方向。因此,掌握SiC器件的应用开发,是光伏逆变器开发者的必修课。
2
更高的直流母线电压成为趋势。随着大功率需求的不断增长,采用1500V替代传统1100V母线电压的光伏逆变器,可以有效减小电流、降低给定功率下的互连成本,支持更高功率的应用。当然,这也势必引发相关元器件和组件的升级。
3
随着应用场景的多元化,光伏逆变器的拓扑也走向多样化。这就要求开发者有能力在需求、性能、成本等诸多因素之间进行权衡,根据实际要求选择更合适的解决方案。
综上所述,设想你是一个光伏逆变器的设计工程师,摆在你面前的有多重挑战:既要应对系统设计的复杂性,又要面对应用场景的多样化,还要关注威廉希尔官方网站 发展趋势,此外也要根据实际目标应用,在可行性和经济性等方面进行权衡……这样的工作并不轻松。
光伏逆变器一站式解决方案
如何让不轻松的事情变轻松?这是一个痛点,也是一个彰显实力的机会。这样的机会,安森美 (onsemi) 把握住了!
为了减轻开发者的工作负荷,缩短产品的研发周期,安森美和Würth Elektronik联手,面向微型和组串式太阳能逆变器研发,推出了一站式的解决方案。
图5:安森美和Würth Elektronik合作推出的光伏逆变器解决方案
(图源:安森美)
仔细观察,我们会发现:所谓“一站式”解决方案,并未虚名,而是有“真材实料”。
首先,从图5可以看出,这个解决方案涵盖了光伏逆变器系统的各个部分,非常全面这主要得益于安森美丰富的产品线,不仅可以提供功率集成模块 (PIM)、SiC分立器件、IGBT等核心功率器件,还包括配套的栅极驱动器、传感、控制、外设电源,以及通信与接口等产品,可谓是360°无死角覆盖。
其次,在方案中整合无源元件是一大亮点,也是一个显著的差异化优势。以往半导体公司提供的解决方案,通常仅专注于有源器件,而在实际设计过程中,配套无源元件的选型、系统匹配,会占用开发者大量的时间和精力,有时候还会成为“致命”的瓶颈。而知名大功率无源和机电元件制造商Würth Elektronik的参与,令这项工作大为简化,而且其在电磁兼容性方面的专业知识,还可确保客户在从家用到工业应用的各种功率等级的产品上,都获得可靠的性能。
再有,这个太阳能光伏逆变器方案还具有极强的可扩展性,以满足不同应用场景、不同功率等级、不同拓扑结构的设计要求。不论是采用分立器件还是PIM模块化设计,不论是采用高性价比的硅基器件还是先进的SiC方案,不论是聚焦于大功率转化功能还是寻求完整的系统级方案,你都可以从这一方案的中,找到对应解决之道。
表1:安森美和Würth Elektronik光伏逆变器解决方案BOM中的关键元器件
(图源:安森美)
光伏逆变器BOM中的亮点
值得一提的是,安森美和Würth Elektronik光伏逆变器解决方案不仅从整体来看具有显著的差异化优势,而且如果深入探究方案的BOM(见表1),也会发现其中每一颗“料”都极具特点,可圈可点。
比如用于DC-DC转换的预充电(Precharger)功能的NDSH50120C SiC二极管,得益于SiC材料出色的性能及安森美独特的工艺,该SiC二极管无反向恢复电流、开关特性不受温度影响,且具有出色的热性能,在提供出色的开关性能同时,还具有比硅器件更佳的可靠性,对于提高系统效率、提升工作频率、提高功率密度、降低EMI、减小系统尺寸并降低成本而言大有帮助。
而且,NDSH50120C与硅基解决方案有很好的“兼容性”,这意味着无需对电路设计进行大的改动,即可将SiC器件的性能优势引入到系统方案中,令系统性能得到很好的改善。
图6:NDSH50120C SiC二极管
(图源:安森美)
在安森美和Würth Elektronik光伏逆变器解决方案中,另一颗值得关注的器件是NCD57100栅极驱动器。
大家知道,在功率电子系统中,栅极驱动器的角色十分关键,它是低压控制器和高功电路之间的缓冲电路,其作用是将控制器的低压信号转化为更高电压的驱动信号,并提供驱动电流,从而实现功率器件高效而可靠地导通和关断。
NCD57100栅极驱动器是大电流单通道IGBT驱动器,具有内部电隔离功能,包括互补输入、开漏故障和READY输出。NCx5710y型号可在输入侧提供5V和3.3V信号,驱动器侧具有宽偏置电压范围,包括负电压能力。该栅极驱动器主要的特性包括:
在米勒平坦电压下具有大电流输出(±7A)
精确匹配,传播延迟时间短
DESAT,带软关断
有源米勒钳位和负栅极电压
高瞬态、高电磁抗扰度
5kV电隔离
从上述性能可以看出,对于提高光伏逆变器的系统效率和可靠性,NCD57100栅极驱动器是一个不可或缺的存在。
图7:NCD57100栅极驱动器
(图源:安森美)
本文小结
太阳能光伏发电已经成为全球可再生能源的中坚力量;相应地,太阳能光伏逆变器也已发展成为能源行业中炙手可热的热门产品。打造出理想的太阳能光伏逆变器,也随之成为一种刚需。
安森美不仅能够提供丰富的半导体器件产品组合,还与Würth Elektronik合作推出了一站式的太阳能光伏逆变器解决方案,为这一领域的开发者赋能。如果你也想在可再生能源的赛道中,获得更大的加速度,一起来了解一下吧——
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原文标题:理想的太阳能光伏逆变器如何造?
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