magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

EBV lidA legújabb generációs szilícium-karbid félvezetők lehetővé teszik a napenergia-termelő rendszerek és a kapcsolódó energiatároló rendszerek energiaátalakítási hatékonyságának jelentős növelését. A cikk ismerteti az alkalmazásokat, és felvázolja, hogy a kisebb veszteség nemcsak energiát takarít meg, hanem kisebb és könnyebb berendezéseket is eredményez, amelyek alacsonyabb telepítési és karbantartási költségekkel is járnak.

 

Az alternatív, megújuló energiaforrások felé való elmozdulás egyre gyorsul, és a főbb gazdaságok kötelezettséget vállaltak arra, hogy a közeljövőben a szén-dioxid-semlegesség felé mozdulnak el. Még a legnagyobb kibocsátók is agresszív céldátumokat tűztek ki. Az Egyesült Államok új kormánya például 2035-re szén-dioxid-mentessé kívánja tenni a villamosenergia-termelést, 2050-re pedig nettó nulla kibocsátással, továbbá Kína 2030-ra a 2005-ös szinthez képest több mint 65%-kal kívánja csökkenteni a „GDP CO2-intenzitását”. Ez a tendencia világszerte megfigyelhető, és néhány jelentős ország, például Svédország 2020 végére már több mint 30%-os megújuló villamosenergia-ellátást ért el. Természetesen számos megújuló energiaforrás létezik, a geotermikus energiától a szél-, víz-, biogáz-, árapály- és napenergiáig. Mindegyiknek megvannak a maga kihívásai, legyen szó akár a víz- és szélerőművek tőkeköltségeiről, akár a biogáz szennyezőanyag-kibocsátásáról, illetve az ellátás folyamatosságáról a szél- és napenergia esetében. A fotovoltaikus (PV-) rendszerek azonban vonzóak a csökkenő tőkeköltségük, valamint a háztartási és közüzemi létesítmények közötti könnyű skálázhatóságuk miatt. Ha a folyamatossági problémát energiatároló rendszerrel meg lehet oldani, akkor a napenergia a jövő energiaellátásának erős esélyese. Bár a napenergia mindig is osztozni fog a megújuló energiaforrások piacán más forrásokkal, az iparág növekedése erőteljes volt, és az előrejelzések szerint exponenciálisan fog növekedni (1. ábra).

 

EBV Infineon 1

1. ábra Napenergia-termelés a fenntartható fejlődés forgató­könyvében,
2000-2030 (Forrás: IEA, Párizs)

 

 

Napenergia-termelő struktúrák

A fotovoltaikus létesítmények három különböző kategóriába sorolhatók: a legfeljebb 10 kW teljesítményű lakossági létesítmények, az 5 MW körüli teljesítményt elérő kereskedelmi létesítmények és a még mindig nagyobb teljesítményű közüzemi létesítmények. A lakossági létesítményekre – a meglévő közüzemi hálózati csatlakozás mellett – jellemzően hosszú távú beruházásként tekintenek. Gyakran rendelkeznek helyi akkumulátortárolóval a felesleges napenergia tárolására, amely „csúcsidő-mérséklést” és hasznos tartalékot biztosít, ha a fő – váltakozó áramú – energiaellátás a sötét órákban meghibásodik. Az egy vagy több, jellemzően 40-80 V feszültségű PV-panel, a mikro­inverter és az akkumulátoros telepítés együttesen rendszerként integrálhatók az egyre magasabb szintű, webre csatlakoztatott otthoni automatizálással, hogy a kereslet és a tárolás ütemezésével optimalizálni lehessen az energiafelhasználást. Egy másik lehetőség egy elektromos autótöltő rendszer integrálása a helyi hálózatba, napenergiából vagy a szokásos váltakozó áramú hálózatból történő választható töltéssel. A kétirányú energiaát­alakítással az elektromos jármű akkumulátora egy másik energiatároló elemet képezhet háztartási felhasználásra, vagy akár a közműhálózatba történő visszatáplálásra. A 2. ábrán egy tipikus telepítés látható. A kereskedelmi célú napelemes létesítményeknek, amelyek irodák és gyárak kiegészítő vagy akár elsődleges energiaforrásaként szolgálnak, hasonló követelményekkel kell szembenézniük, mint a lakossági létesítményeknek. Kereskedelmi szempontból azonban a nagyobb energiaigény magasabb berendezésköltségekkel jár, ezért a rendszer hatékonysága és gyors megtérülése kulcsfontosságú szempont. A PV-táblák sorokban kerülnek elhelyezésre, ami által a feszültségek magasabbak lesznek – talán 1500 V-ig –, hogy csökkentsék az áramot és az ebből következő ohmos veszteségeket.

 

EBV Infineon 2

2. ábra Egy példa a lakossági napenergia-berendezésre
akkumulátortárolóval, elektromos járművek integrálásával és közművek
energiabetáplálásával (Forrás: Infineon)

 


A helyi akkumulátoros energiatárolást gyakran integrálják a köz­üzemi csúcskereslet csökkentésére, ami prémiumdíjakat vonz. A hibatűrés, a skálázhatóság és a kényelem érdekében egy nagyobb rendszerben egy invertert általában egy vagy néhány PV-stringhez (azaz több, azonos típusú és teljesítményű napelemmodul összekapcsolásából álló villamos hálózathoz) rendelnek. A nagykereskedelmi PV- és közüzemi létesítmények egyetlen központi, háromfázisú invertert használhatnak. A központi megközelítést elsősorban a távoli, nagy méretű, körülbelül 10 MW feletti létesítményeknél alkalmazzák, ahol a nagy teljesítmény hatékonyan átalakítható, és közvetlenül az átviteli hálózatba táplálható. 10 MW alatt a központi inverter hátránya a string inverterekkel szemben a rugalmatlanság, a magasabb kezdeti tőkeköltségek és a fokozatos skálázhatóság hiánya. A központi inverter az ellátás folyamatosságát is veszélyezteti azáltal, hogy egyetlen, de a teljes rendszert blokkoló hibalehetőséget jelent, ezért a tendencia az elosztott inverteres rendszerek és a hozzájuk kapcsolódó energiatárolók felé mutat. Végső soron az elosztott string vagy központi inverterelrendezés közötti választás összetett döntés, amely az üzemeltetési és karbantartási költségeken, az üzem elrendezésén és tervezési rugalmasságán, a könnyű telepítésen és hozzáférésen, a teljesítményredundancián és sok máson alapul. A 80 kg körüli súlyú, szekrényméretű string invertert optimálisnak tekintik, mivel kétfős csapattal kezelhető és telepíthető, illetve cserélhető. Ezt szem előtt tartva intenzív erőfeszítéseket tesznek az ilyen méretű szekrények teljesítményének maximalizálására a hatékonyság, és ezáltal a teljesítménysűrűség javítása révén, a súly és a költségek növelése nélkül. Az új teljesítményátalakítási topológiák és a félvezető-kapcsolástechnológiák ezt lehetővé teszik.

 

PV-inverter-topológiák – mikro-, string és központi inverter

A lakossági telepítésekhez használt mikroinverterek gyakran szorosan integrálódnak a napelemes panel hardverével, és 96% körüli hatásfokot érnek el. A mikroinverter működhet egyetlen alacsony feszültségű (<60 V) PV-panellel, egy izolált DC-DC átalakító fokozattal, amely nagyfeszültségűre növeli a feszültséget, és egy hálózatkompatibilis egyfázisú invertert táplál. Ha több, nagyobb teljesítményű panelt használnak, akkor egy összetettebb hídáramkört kell alkalmazni, amely egyesíti és átalakítja a panelfeszültségeket egyetlen, invertert tápláló egyenáramú kimenetté. A tervek alacsony költségűek a potenciális tömegpiac számára, a kapcsolási frekvenciák jellemzően a 40…80 kHz-es tartományban vannak. A kimenet kivétel nélkül egyfázisú, 110 V/230 V váltakozó feszültségű, és a szilícium MOSFET félvezető-kapcsolók gyakoriak. Egyszerűbb berendezésekben IGBT-ket használnak, ha a frekvenciát alacsonyan tartják. A mikroinverterek viszonylag kis teljesítménye miatt az átalakítási topológia jellemzően egy flyback vagy esetleg egy „LLC” DC-DC fokozat, MPPT (Maximum Power Point Tracking) funkcióval, majd egy hagyományos hídinverter a váltakozó áramú kimenethez. A „ciklo-inverter” technika is használható a PV DC-ről a hálózati AC-re történő egylépcsős átalakításhoz. A mikroinverter minden konfigurációban jellemzően négy-nyolc kisfeszültségű és négy nagyfeszültségű kapcsolót tartalmaz. Az energiatárolás az inverter váltakozó áramú kimenetéről kétirányú AC-DC átalakító segítségével egy akkumulátor töltésével biztosítható, amely lehetővé teszi, hogy az akkumulátor gyenge fényviszonyok mellett hatékonyan helyettesítse az inverter kimenetét. Az akkumulátort a közüzemi váltakozó áramról is lehet tölteni, összetettebb rendszerek esetén a tárolt energia visszatáplálható a váltakozó áramú hálózatba. Ily módon az akkumulátor vagy az energiatároló rendszer (ESS) úgy programozható, hogy alacsony árak esetén napenergiából vagy közüzemi váltakozó áramból töltsön, és ha a közüzemi díjak magasabbak, akkor visszaváltson a napenergia tartalékolására és tárolására. A lakossági, kereskedelmi és közüzemi létesítményekben használt string inverterek magasabb szinten egyfázisú vagy alternatív módon háromfázisú váltakozó áramot termelnek. A panelfeszültségek 600 V-osak lehetnek, amelyet egy DC-DC boost átalakító követ, hogy egyenáramú kapcsolatot biztosítson az egyfázisú inverter számára. Alternatív megoldásként 1000 VDC/1500 VDC rendszer is lehetséges „3-szintű” konfigurációjú boost konverterrel a háromfázisú inverter egyenáramú kapcsolatához.
Egyfázisú váltakozó áram esetén az inverter lehet egyszerű kétszintű megvalósítás, vagy a jobb hatásfok érdekében tervezett topológiák egyike, mint például a „HERIC”, a „H6” vagy a többszintű típusok. A félvezető-kapcsolók száma a topológia összetettségével nő, de a többszintű konverterek lehetővé teszik alacsonyabb feszültségű és néha alacsonyabb költségű eszközök használatát. A mikroinverterekhez hasonlóan az energiatárolást a PV-panelekről DC-DC átalakítóval töltött akkumulátorok is biztosíthatják. A magasabb panelfeszültség miatt a 48 V-nál kisebb feszültségű akkumulátorok esetében biztonsági okokból szigetelt kétirányú átalakítót kell használni. Az akkumulátorok töltése a közüzemi váltakozó áramú hálózatról, illetve a hálózatra való betáplálás szükség szerint megvalósítható. A háromfázisú string inverterek a teljesítményszinttől függően összetettségükben is változnak: az egyszerű kétszintű, háromlábú hidakat körülbelül 10 kW rendszerteljesítményig használják, a háromszintű NPC1/NPC2/ANPC típusok pedig a 250 kW-os tartományban működnek. A bonyolultság ismét a teljesítménnyel növekszik, például a 3-szintes aktív, semleges pontra kapcsolt (ANPC) elrendezéshez legalább 18 nagyfeszültségű kapcsolóra van szükség. A gyakorlatban a nagyobb teljesítményszinteken jellemzően több MOSFET-ből vagy IGBT-ből álló integrált modulokat használnak. A közüzemi alkalmazásokban a központi inverterek háromfázisú váltakozó áramú kimenetet állítanak elő megawattos szinten a legmagasabb PV-panelfeszültségekkel és többszintű vagy párhuzamosított inverterekkel, amelyek jellemzően IGBT-modulokat használnak. Helyi energiatárolás esetén akár 1000 V-os akkumulátorok is alkalmazhatók, átfogó akkumulátor-menedzsmenttel a cellák kiegyensúlyozottságának és optimális élettartamának garantálása érdekében. Az akkumulátorokból a közüzemi váltakozó áramú vezetékekre történő betáplálás a napenergia-termeléstől független terheléskiegyenlítést vagy „csúcsidő-mérséklést” biztosít az elektromos hálózat számára. A 3. ábra összefoglalja az alkalmazási követelményeket a mikro-, string és központi inverterek esetében.

 

EBV Infineon 3

3. ábra A napenergia-inverter kategóriák alkalmazási követelményei
(Forrás: Infineon)

 

 

SiC kapcsolótechnológia

Minden napenergia-alkalmazásban, a lakossági és a közüzemi méretű alkalmazásokban az energiaátalakítás hatékonysága kulcsfontosságú paraméter. A berendezésekben elvesztegetett minden egyes watt egy lépéssel távolabb kerül a szén-dioxid-semlegesség elérésétől, és csökkenti a létesítmény költséghatékonyságát. Akár egy százalékpontnyi megtakarítás is alacsonyabb üzemeltetési költségeket, kisebb, könnyebb és hűvösebb futású berendezéseket, hosszabb akkumulátoros tartaléküzemidőt és gyorsabb megtérülést jelenthet. A fotovoltaikus áramátalakításban alkalmazott félvezető-kapcsolók nemcsak önmagukban jelentenek jelentős veszteséget, hanem korlátozhatják a rendszer egyéb alkatrészeinek kiválasztását is. Az IGBT-k például, bár alacsony statikus veszteségekkel rendelkeznek, lassú kapcsolásuk miatt nem működhetnek nagyon magas frekvencián, ami túlzott dinamikus veszteségeket okoz. Az alacsony frekvenciájú működés azonban általában nagyobb és nehezebb mágneses és kapacitív alkatrészeket igényel. Ideális választás tehát egy olyan kapcsoló, amely megfelel az IGBT bekapcsolt állapotbeli veszteségeinek nagy áramoknál, de nagyobb frekvencián gyors élsebességgel képes kapcsolni. Ez lehetővé teszi az alacsony dinamikus veszteséget és a kisebb passzív alkatrészeket.
A szilícium MOSFET-ek kis teljesítményen, néhány kW-tól 10 kW-ig versenyeznek, de nagy teljesítményen a statikus veszteségek tekintetében alulmaradnak az IGBT-kkel szemben, a MOSFET véges bekapcsolási ellenállása miatt. Ezt az okozza, hogy a MOSFET csatornaellenállásában elvesztett teljesítmény az áram négyzetével növekszik, míg az IGBT közel állandó telítési feszültséggel rendelkezik, és a disszipáció következésképpen csak az árammal arányos. Jobb lehetőség a szilícium-karbid (SiC) technológiát alkalmazó MOSFET, amely tíz évvel az első 1200 V-os eszköz bevezetése után már megjelent. A SiC MOSFET-ek széles tiltottsávval rendelkező félvezetők, számos előnyük van a szilíciummal szemben: magasabb átütési feszültség, így az aktív réteg vékonyabb egy adott névleges feszültség mellett, és magasabb szinten adalékolható. A bekapcsolási ellenállás adott chipméret mellett sokkal kisebb. A kisebb lapkaméretek alacsonyabb eszközkapacitásokat is eredményeznek, ami gyorsabb kapcsolást tesz lehetővé kisebb veszteség mellett. A SiC elektrontelítési sebessége egyébként is körülbelül kétszerese a szilícium értékének, ami szintén a nagyobb kapcsolási sebesség irányába hat. Emellett a SiC hővezető képessége körülbelül háromszor jobb, mint a szilíciumé, ami adott teljesítményleadás mellett alacsonyabb lapkahőmérsékletet, és ebből következően alacsonyabb bekapcsolási ellenállás-növekedést tesz lehetővé.

 

A SiC alkalmazása a napenergia-technológiában

A SiC MOSFET-ek 1200 V névleges feszültségig közvetlenül az MPPT DC-DC boost fokozatban használhatók 1000 V-os PV-tömbfeszültségnél a lakossági, kis- és középméretű kereskedelmi létesítményekben, valamint a downstream egyfázisú vagy háromfázisú DC-AC inverterben. A nagy méretű kereskedelmi/közüzemi berendezések akár 1500 V egyenfeszültségű kimeneti feszültségű paneljeiben a SiC MOSFET-ek továbbra is használhatók a DC-DC háromszintű boost-elrendezésben, a MOSFET feszültségterhelését az 1200 V-os névleges feszültség alatt tartva. Az ezt követő háromfázisú inverterek lehetnek többszintű típusok, ahol a feszültséget soros kapcsolókon osztják meg, ami ismét lehetővé teszi az 1200 V-os SiC MOSFET-ek alkalmazását.
A DC-AC inverter kapcsolási frekvenciáját általában nem növelik meg jelentősen; bár a SiC hatékonyan tud MHz-es frekvencián kapcsolni, az inverterek csak a szűréshez tartalmaznak mágneses alkatrészeket – nem pedig az energiatároláshoz és a csatoláshoz – így a mágnesesség nem olyan jelentős, mint az AC-DC vagy DC-DC átalakítókban, azok nagy transzformátoraival és tároló fojtóival.
A 100 kHz körül kapcsoló SiC-inverterek ezért jó választásnak bizonyulnak a nagyon alacsony dinamikus és statikus veszteségek, valamint az észszerű méretű szűrőelemek mellett. Az energiatárolóval ellátott berendezések kétirányú DC-DC buck-boost átalakítókat alkalmaznak az akkumulátor töltéséhez és a helyi terheléshez történő kisütéséhez, mind falra szerelt, mind az EV-ben található akkumulátor esetében. A napenergia és az akkumulátorok energiájának szabályozásával meghosszabbítható a napelemes berendezések hasznos üzemideje (4. ábra). Egy kétirányú, AC-DC/DC-AC teljesítménytényező-korrigált átalakító hasonlóképpen biztosítja az akkumulátor energiáját a közüzemi hálózatról történő töltéshez vagy a közüzemi hálózatba való betápláláshoz.

 

EBV Infineon 4

4. ábra Egy nap alatt a napenergia és az akkumulátorok energiája képes kielégíteni a terhelési igényeket (Forrás: Infineon)

 


Ezek a teljesítményátalakító fokozatok „harmadik kvadráns” vagy fordított kapcsolóvezetést igényelnek. Ebben az üzemmódban a MOSFET-testdiódán pillanatnyi áram folyik át, mielőtt az eszköz csatornája vezetne, és a tárolt töltés visszanyerése dinamikus teljesítményveszteséghez vezet, amikor a csatorna kikapcsol. A SiC MOSFET testdiódák sokkal alacsonyabb tárolt töltéssel (QRR) rendelkeznek, mint a szilíciumtípusok, ezért jelentősen javítják az átalakítás hatékonyságát. A SiC MOSFET kimeneti kapacitása és a csatorna bekapcsolási ellenállása is viszonylag alacsonyabb, mint a szilíciumeszközöké, ami még nagyobb megtakarítást eredményez. További előny, hogy mind az egy-, mind a kétirányú akkumulátortöltők DC-DC átalakítókkal erősítik az egyenáramú kapcsolatokat, és a többi kapcsolódó áramátalakító és teljesítménytényező-korrekciós fokozat mind magasabb frekvencián működhet SiC-vel. Ennek hatására a kapcsolódó mágneses alkatrészek mérete, tömege, vesztesége és költsége drasztikusan csökken. A SiC MOSFET-ek ezért a napelemes alkalmazásokban előnyösen használhatók a teljesítményátalakítási szakaszban, alacsony összveszteséget és kisebb passzív alkatrészeket igényelve, következésképpen alacsonyabb energia- és rendszerköltségekkel, valamint hosszabb tartaléktároló üzemidővel.

 

Megoldási javaslat a napenergia és az ESS számára

A SiC MOSFET-ek az Infineon CoolSiC™ márkanév alatt kaphatók 650, 1200 és 1700 V-os változatokban. Diszkrét eszközként a kínálatban olyan alkatrészek találhatók, amelyek bekapcsolási ellenállása mindössze 27 milliohm, a drain áram pedig akár 56 amper értékű is lehet. A diszkrét tokozatú felületre szerelt TO-263-as és átmenő furatú TO-247-es kivitelű eszközök Kelvin forráscsatlakozással kaphatók az optimalizált kapcsolási teljesítmény érdekében. A többszintű átalakítókhoz 1200 V névleges feszültségű CoolSiC™ modulok 3-szintes, kettős, négyes és hatos konfigurációban is kaphatók, akár 2 milliohm bekapcsolási ellenállással. A „Booster” modulok kettős SiC MOSFET-eket és SiC Schottky-diódákat tartalmaznak, a bypass diódákkal együtt, hogy kétfázisú boost teljesítményfokozatot alkossanak, amely különösen alkalmas a PV-feszültségnek az inverter DC-link bemeneti szintjére történő átalakítására.
Egyetlen kétirányú AC-DC/DC-AC átalakítóval egy 1500 VDC PV-rendszerben 200 kW-ot meghaladó teljesítményszintek érhetők el, mindkét irányban 99% közeli hatásfokkal, ami ideálisan alkalmas nagy hatásfokú string vagy energiatároló inverterhez. Mint minden kapcsoló, a SiC MOSFET-ek is akkor teljesítenek a legjobban, ha a gate-meghajtásukat pontosan szabályozzák. Az Infineon EiceDRIVER™ családjába tartozó kapumeghajtó IC-k képesek izolált high-side és low-side jeleket biztosítani a legalacsonyabb terjedési késleltetéssel, aktív Miller-fogókkal és a holtidő beállításának vagy minimalizálásának képességével – ami elengedhetetlen a SiC MOSFET kapcsolási veszteségeinek optimalizálásához. A védelem is átfogó a deszaturáció és a rövidzárlat-érzékeléssel, valamint a 200 kV/μs-nál magasabb közös módú tranziens immunitással a szigetelési rétegen keresztül, amely szintén függőben lévő 5,7 kVrms (1 perc) biztonsági besorolással rendelkezik. Az izoláció 1200 V-os besorolású kapcsolóknak felel meg az összes elterjedt egyenáramú és egy/háromfázisú konverter- és inverteralkalmazáshoz.
A teljes ESS-rendszer megoldásához az Infineon az akkumulátorok felügyeletéhez, védelméhez és a töltés/kisülés vezérléséhez szükséges alkatrészeket is kínál. Az energiatároló rendszerekben az alul- és túlfeszültség, a belépőáram, a rövidzárlat és a fordított áram érzékelhető és szabályozható, míg a töltöttségi állapot, a hőmérséklet és a cellák kiegyensúlyozása távolról – a titkosítási folyamatok révén nagy biztonsággal – jelezhető és szabályozható a rendszer optimális élettartama és rendelkezésre állása érdekében (5. ábra)

 

EBV Infineon 5

5. ábra Az Infineon alkatrészei teljes körű megoldást nyújtanak az energiatároló és -átalakító rendszerekhez (Forrás: Infineon)

 

.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!

 

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.

1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: istvan.gnyalin@ebv.com
www.ebv.com