Способы повышения КПД и удельной мощности инверторов для солнечных электростанций

28 декабря 2021

Мустафа Хазреи, Дамиан Зупанчич (Infineon)

Какую элементную базу выбрать для проектирования инверторов для солнечных батарей – новую карбид-кремниевую или традиционную кремниевую? Специалисты Infineon приходят к неожиданному выводу: традиционная кремниевая может помочь достичь КПД 99%. Но для этого следует применить сравнительно новую схему многоуровневого преобразования, которая может оказаться непростой для начинающего разработчика.

В связи с глобальными климатическими изменениями, происходящими на нашей планете, потребность в экологически чистых источниках энергии, к числу которых относятся солнечные электростанции, за последнее десятилетие возросла во много раз. Одним из ключевых параметров электростанций этого типа является величина потерь, возникающая при преобразовании постоянного тока, выработанного фотоэлементами, в переменное напряжение с частотой 50/60 Гц. Кроме того, для домашних систем также важны габариты и стоимость всех элементов, в том числе и инвертора, выполняющего упомянутое преобразование.

Традиционной элементной базой для реализации силовой части инверторов являются кремниевые IGBT. Эти приборы позволяют создавать как однофазные, так и трехфазные системы практически любой мощности. В маломощных однофазных инверторах вместо IGBT могут использоваться кремниевые MOSFET с суперпереходом (SJ MOSFET) с максимально допустимым напряжением 600/650 В, однако такая замена не дает ощутимого улучшения ни КПД, ни удельной мощности.

Еще не так давно считалось, что характеристики инверторов для солнечных электростанций достигли своего технического максимума, и дальнейшее их повышение, из-за недостатков и ограничений существующей элементной базы, маловероятно. Однако в последнее время в конструировании этого типа устройств появилось два новых направления, причем оба положительно сказываются на всех ключевых характеристиках этих преобразователей, в первую очередь – на величине КПД и удельной мощности. Первый способ заключается в замене традиционных кремниевых транзисторов их аналогами, изготовленными из полупроводников с большей, чем у кремния, шириной запрещенной зоны, например, из карбида кремния. Второй способ направлен на поиск новых схемотехнических решений силовой части, позволяющих создавать преобразователи на основе традиционных низковольтных кремниевых MOSFET, имеющих намного лучшие характеристики, чем их высоковольтные аналоги.

Использование новых решений позволило создавать инверторы, КПД которых может превышать 99%, что при использовании традиционных принципов построения является недостижимым результатом. В статье рассмотрены ключевые особенности обоих подходов, а также вопросы, на которые нужно обращать внимание при выборе того или иного метода.

Особенности замены элементной базы

Ключевым недостатком кремниевых IGBT является высокий уровень динамических потерь, из-за чего в схемах с жесткой коммутацией частота их переключения редко превышает 20 кГц. По сравнению с IGBT, MOSFET имеют лучшие динамические характеристики, однако из-за малой ширины запрещенной зоны кремния приходится увеличивать толщину канала при высоких рабочих напряжениях, что приводит к увеличению сопротивления канала и, как следствие, к увеличению статических потерь. Наличие подобных ограничений приводит к тому, что КПД инверторов для солнечных электростанций, особенно маломощных однофазных, редко достигает 98%.

При изготовлении высоковольтных MOSFET из карбида кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны, нет необходимости в специальном увеличении толщины канала для обеспечения требуемой электрической прочности, поэтому высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы и диоды имеют лучшие параметры, чем их кремниевые аналоги при той же установочной мощности. Кроме того, паразитные антипараллельные диоды карбид-кремниевых MOSFET имеют меньшее время восстановления, что также положительно сказывается на величине КПД преобразователей, созданных на их основе.

Не так давно компания Infineon выпустила на рынок карбид-кремниевые MOSFET семейства CoolSiC, рассчитанные на использование в системах с напряжением до 650 В. Даже простая замена существующих кремниевых MOSFET и IGBT карбид-кремниевыми аналогами без какого-либо изменения схемотехники инвертора уже позволит увеличить его КПД за счет меньших потерь в силовых ключах. А если учесть, что карбид-кремниевые MOSFET могут работать на более высоких частотах, то подобная модернизация позволит использовать реактивные элементы с меньшей энергетической емкостью, и, соответственно, с меньшими размерами, что, в свою очередь, позволит создавать инверторы для солнечных электростанций с меньшими размерами и массой.

Эффективность от подобной замены хорошо видна на рисунке 1, где приведен сравнительный анализ величин заряда входной (Q_g) и выходной (Q_oss) емкости, а также заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Q_rr) для MOSFET, изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Как видно из диаграмм, при приблизительно равных сопротивлении канала и условиях тестирования карбид-кремниевые транзисторы CoolSiC по всем параметрам значительно превосходят лучшие модели кремниевых MOSFET с суперпереходом, в частности – 600-вольтовые MOSFET семейства CoolMOS с диодами CFD7.

Рис. 1. Сравнительный анализ основных характеристик кремниевых MOSFET семейства CoolMOS и карбид-кремниевых MOSFET семейства CoolSiC

На рисунке 2 приведены результаты анализа величины статических потерь лучших в своих классах моделей транзисторов, в том числе кремниевого IGBT IKW30N65H5 (максимально допустимое напряжение – 650 В), кремниевого MOSFET с суперпереходом IPW60R031CFD7 (максимально допустимое напряжение – 600 В) и карбид-кремниевого MOSFET IMW65R027M1H (максимально допустимое напряжение – 650 В). Как видно из диаграмм, наибольший разогрев кристалла при протекании через него электрического тока наблюдается у IGBT. Эта разница особо заметна при температуре кристалла 25°С, когда сопротивления каналов MOSFET минимальны. Единственной положительной чертой IGBT в этом случае является температурная стабильность – потери проводимости этих транзисторов линейно зависят от величины тока, протекающего через прибор, и остаются приблизительно постоянными во всем температурном диапазоне.

Рис. 2. Сравнительный анализ статических потерь лучших моделей транзисторов, изготовленных по разным технологиям

Наименьшие статические потери при комнатной температуре имеют кремниевые MOSFET. Однако с ростом температуры уровень тепловыделения на их кристаллах увеличивается более чем в два раза, и при 125°С он может оказаться даже больше, чем у IGBT. А вот карбид-кремниевые MOSFET хоть и имеют при 25°С немного большее сопротивление канала, чем у их кремниевых аналогов, однако с ростом температуры его значение увеличивается не более чем на 20%, поэтому при высоких температурах уровень статических потерь транзисторов этого типа оказывается наименьшим из всех рассмотренных полупроводниковых приборов. Рисунок 2 дает четкое понимание отличий между разными технологиями изготовления транзисторов и показывает, что при коммутации больших токов и при высокой температуре кристаллов характеристики карбид-кремниевых транзисторов оказываются наилучшими.

Переход на новые схемотехнические решения

Силовая часть инверторов для солнечных электростанций традиционно строится на основе полумостовых каскадов, количество которых зависит от мощности инвертора и количества фаз его выходного напряжения. Одним из недостатков таких схем является возможность формирования на выходе только двух уровней напряжения, что вынуждает использовать в этих схемах IGBT и MOSFET с максимально допустимым напряжением не менее 600 B. Кроме необходимости использования высоковольтных транзисторов, характеристики которых хуже, чем у их низковольтных аналогов, коммутация высокого напряжения приводит к увеличению динамических потерь, что негативно сказывается и на КПД, и на удельной мощности преобразователей.

Однако в последнее время вместо полумостовых каскадов все чаще используются более сложные схемы, формирующие импульсное напряжение, способное принимать больше двух уровней (рисунок 3). Несмотря на повышенную сложность, такой подход позволяет снизить величину напряжения, коммутируемого силовыми транзисторами, что, в свою очередь, позволяет использовать в этих схемах полупроводниковые приборы с максимально допустимым напряжением 60…300 В и, что самое главное, снизить величину динамических потерь. Результаты испытаний многоуровневых схем показывают, что использование в них MOSFET класса среднего напряжения, например, семейства OptiMOS 5, имеющих превосходные метрики качества (R_ds(on)×Q_g, R_ds(on)×Q_rr и R_ds(on)×Q_oss), позволяет довести их КПД до 99%.

Рис. 3. Принцип перехода с классических полумостовых схем на многоуровневые

Уменьшение величины коммутируемого напряжения позволяет использовать в силовой части дроссели и конденсаторы с меньшей энергетической емкостью, а снижение статических и динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах позволяет уменьшить площадь радиаторов системы охлаждения. Более того, количество силовых транзисторов в многоуровневых схемах больше, чем в схемах на основе полумостовых каскадов. Это приводит к тому, что тепло, общая величина которого меньше, чем в традиционных схемах, теперь выделяется на большем количестве кристаллов, то есть более равномерно распределяется по объему прибора. Все это в конечном итоге не только позволяет увеличить удельную мощность инверторов, но и значительно упростить систему охлаждения, вплоть до полного отказа от принудительного обдува радиаторов и использования для охлаждения силовой части естественных конвекционных потоков.

Стоимость полупроводниковых компонентов типового однофазного сетевого инвертора мощностью более 3 кВт составляет приблизительно 15% от его общей стоимости и намного превышает стоимость материалоемких радиаторов и индуктивных компонентов. Увеличение количества полупроводниковых приборов, характерное для многоуровневых инверторов, приводит к перераспределению этого баланса. Однако цены на полупроводниковые компоненты по мере развития технологий их производства постоянно снижаются, в то время как цены на первичные материалы (железо, медь, алюминий, ферриты) в лучшем случае остаются неизменными. Таким образом, для инверторов мощностью более 3 кВт, основная часть стоимости которых приходится на конструктивные элементы и на индуктивные накопители, переход на многоуровневый принцип преобразования позволяет уменьшить размеры конечного устройства и, соответственно, уменьшить его стоимость.

Еще одни преимуществом многоуровневых схем является возможность использования полупроводниковых приборов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, появившаяся благодаря меньшему выделению тепла на их кристаллах. Это позволяет снизить стоимость сборки устройства, поскольку SMD-компоненты можно монтировать на автоматизированных линиях. Кроме того, SMD-корпуса имеют меньшие значения паразитных индуктивностей выводов, что ощутимо снижает уровень нежелательных высокочастотных колебаний, возникающих в процессе коммутации.

Особенностью многоуровневых инверторов является простота масштабирования – конструкция силовой части и компоновка печатной платы мощного инвертора будет мало чем отличаться от его маломощной версии.

Однако многоуровневые схемы имеют и свои недостатки, основным из которых является большее количество полупроводниковых приборов, что требует увеличения количества драйверов и изолированных источников питания. Однако и эту проблему можно решить, например, путем использования недорогих и экономичных маломощных (до 1 Вт) преобразователей, построенных по обратноходовым схемам.

Пример многоуровневого инвертора мощностью 4 кВт, не требующего системы охлаждения

В качестве примера, позволяющего оценить возможности современных технологий, рассмотрим схему демонстрационной платы однофазного инвертора мощностью 4 кВт, построенного по схеме пятиуровневого преобразователя с коммутируемым силовым конденсатором. Особенностью этого решения является полное отсутствие радиаторов и вентилятора принудительного охлаждения, поскольку максимальное значение КПД этой системы достигает 99% и не опускается ниже 98,7% в диапазоне выходных мощностей, начиная от 500 Вт.

Схема демонстрационной платы показана на рисунке 4, а ее основные характеристики приведены в таблице 1. Особенностью данной схемы является использование в силовой части 150-вольтовых транзисторов BSC093N15NS5 семейства OptiMOS 5 (сопротивление канала в открытом состоянии – 9,3 мОм) при напряжении питающей шины, равным 400 В. Несмотря на повышенную сложность и большое количество силовых транзисторов, энергетические характеристики и удельная мощность этого решения намного (на несколько порядков) превосходят аналогичные устройства, построенные по традиционным схемам на основе кремниевых IGBT или MOSFET с суперпереходом.

Рис. 4. Схема однофазного пятиуровневого инвертора с коммутируемым конденсатором

Таблица 1.  Основные характеристики пятиуровневого инвертора

Результаты измерений КПД этой схемы показаны на рисунке 5. Как видно из графиков, максимальное значение этого параметра (приблизительно 99,1%) достигается при выходной мощности около 2 кВт. При увеличении нагрузки до 4 кВт КПД уменьшается до 98,7%, однако при этом оно все равно остается достаточно высоким для того, чтобы схема могла на протяжении длительного времени работать при естественном охлаждении, а сами транзисторы были смонтированы непосредственно на плате без использования радиаторов.

Рис. 5. Зависимость КПД пятиуровневого инвертора от величины выходной мощности

Заключение

Развитие технологий преобразования электрической энергии поставило инженеров перед сложным выбором. Какую технологию для повышения характеристик инвертора теперь использовать: старые проверенные схемы, но на новой карбид-кремниевой элементной базе или новые схемы, но на традиционных кремниевых MOSFET с пониженным напряжением?

Конечно, проще всего перейти на карбид-кремниевую элементную базу – ведь при этом можно использовать уже существующие наработки и отлаженный технологический процесс. Однако при этом энергетический эффект может казаться не таким впечатляющим, и для работы инвертора все равно потребуются и радиаторы, и система принудительного охлаждения (особенно при выходной мощности более 5 кВт).

А вот для перехода на многоуровневый принцип преобразования потребуется больше времени и сил, поскольку эта технология пока еще является относительно новой, и для ее освоения, возможно, придется даже провести некоторые дополнительные исследования. Однако конечный результат в виде КПД, равного 99%, повышенной удельной мощности и меньшей стоимости системы, наверное, стоит затраченных усилий. Поэтому в новых разработках инверторов для солнечных электростанций все-таки рекомендуется обратить пристальное внимание именно на схемы, использующие многоуровневый принцип преобразования.

Оригинал статьи

                                   Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл