【技術干貨】住宅太陽能逆變器系統為家庭提供綠色能源

住宅太陽能逆變器系統是一種家庭發電和儲能解決方案，其包括產生可變直流電壓的光伏（PV）面板陣列，升壓轉換器則使用稱為最大功率點跟蹤（MPPT）的方法（會根據陽光的強度和方向優化捕獲的能量），將該電壓提高到更高的直流鏈路電壓。然后，單相DC/AC逆變器將直流鏈路電壓（通常< 600 VDC）轉換為交流電壓（120至240 V），然后連接到負載或電網。

住宅太陽能逆變器有不同類型，但最常見的兩種是微型逆變器和組串式逆變器。微型逆變器太陽能系統使用多個DC/AC逆變器，每個逆變器連接到單個光伏面板，通常產生高達1 kW的輸出功率。組串式逆變器系統結合了多個串聯光伏發電的輸入。然而，連接多個太陽能電池板的效率低于微型逆變器系統，因為如果一個電池板接收到的光少于系列中其他電池板的光，整個系統的輸出就會受到影響。然而，它們比微型逆變器系統便宜，每個面板都有一個逆變器。

功率優化器（具有集成MPPT的DC?DC轉換器）則有助于提高組串式逆變器系統的效率，這會將光伏電池板的可變直流電壓轉換為固定直流電壓，這意味著單個電池板的低光伏輸出將不會影響整體效率。

電池儲能系統（BESS）對于住宅太陽能系統至關重要，在大多數情況下，能源是在最不需要的時候捕獲的——白天人們不在家的時候。使用電池來存儲能量可以在需要時（晚上家人在家時）靈活地使用電力。雙向轉換器將BESS連接到太陽能系統，白天，當光伏板發電時，轉換器為電池陣列充電。晚上，當電池板不發電時，雙向轉換器會釋放電池中存儲的能量來驅動負載。

為了實現高效率，組串式逆變器或微型逆變器中包含的DC-DC轉換器可使用MPPT，在不同環境條件下最大限度地提高光伏電池板產生的功率。DC-DC轉換器可以基于各種隔離和非隔離拓撲，對于太陽能住宅轉換器，最常見的非隔離拓撲是單升壓轉換器，常見的隔離拓撲是反激式轉換器。這兩種拓撲都是低成本的并且具有窄的外形尺寸。另外還有DC-AC逆變器，逆變器可以使用各種拓撲結構構建，但須考慮逆變器的重量、尺寸和成本。

雙向DC-DC轉換器則會對儲能系統中的電池進行充電和放電，這通常使用諧振CLLC或雙有源橋升降壓隔離拓撲。它支持寬輸入和輸出電壓范圍，并使用零電壓開關（ZVS）來提高效率，它還通過將電池組與光伏面板隔離來提供安全性。

作為電力電子領域的領導者，安森美擁有住宅太陽能系統所需的廣泛功率半導體產品組合，其中包括 60 V – 150 V硅MOSFET、650 V碳化硅分立MOSFET、600 V和650 V Field Stop 4 IGBT，以及集成電源模塊。

安森美理解到能源系統轉型需要采用具有最高效率、可靠性和安全性的解決方案，因此推出了安森美的升壓和逆變器電源集成模塊（PIM），使用安森美的柵極驅動器、傳感、控制和外圍電源產品來固定電網接口電子器件，從而完善系統。

例如在DC-AC逆變器上采用安森美的NXH75M65L4Q1 IGBT模塊的HERIC H6.5轉換器，該設計不需要變壓器，從而減少了整個系統的重量、尺寸和成本，該拓撲解決了由作用于光伏陣列寄生電容的共模（CM）電壓引起的漏電流問題。此外，作為三電平拓撲，它比基于H橋的方法提供更高的效率。一般來說，建議單相和三相應用采用三電平拓撲，以最大限度地減少諧波，并提供更平滑的輸出。雖然多級拓撲需要更復雜的控制，但它們提供更好的性能和效率。

NXH75M65L4Q1是一款采用Q1封裝、采用三電平H6.5拓撲的IGBT模塊，該模塊包含六個75 A、650 V IGBT、五個50 A、650V Stealth二極管和一個熱敏電阻。NXH75M65L4Q1是快速開關Field Stop 4 Trench IGBT，具有低VCE(SAT)和低開關損耗，是采用低電感布局的模塊化解決方案，具有焊接針腳。常見的最終產品包括戶用太陽能逆變器（單相電源）、UPS（單相電源）、儲能系統（單相電源）。

安森美還提供額定電壓為600 V和650 V的硅IGBT，IGBT采用窄臺面、寬溝槽寬度的Field Stop 4（FS4）技術，具有鎖存抗干擾性和更小的柵極電容。場截止層增加了阻擋能力并減少了漂移層厚度，這反過來又將傳導和開關能量損耗降低至30 J/A以下。它還可以降低熱阻，從而實現更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT設計在4kW升壓轉換器中表現出比Field Stop 3（FS3）設計更好的輕負載功率效率，具備比同等級競爭對手更好的表現，這些功能有助于實現更高功率效率的太陽能逆變器。

安森美的SiC MOSFET設計快速且堅固耐用，具有高效率、減小系統尺寸和成本等系統優勢。MOSFET是具有絕緣柵極的金屬氧化物半導體場效晶體管，盡管設計元器件相似，但這些碳化硅MOSFET比硅MOSFET具有更高的阻斷電壓和更高的導熱率。

SiC功率器件還具有較低的狀態電阻和普通硅的10倍擊穿強度，電子飽和速度高出2倍，能帶隙高出3倍，熱導率高出3倍。一般來說，與硅材料制成的MOSFET相比，采用SiC MOSFET的系統具有更好的性能和更高的效率。

與硅MOSFET相比，選擇SiC MOSFET有許多優點，例如更高的開關頻率和更高的可靠性。使用SiC MOSFET模塊時，高溫開發也不是問題，因為這些器件即使在高溫下也能高效運作。此外，使用SiC MOSFET，也可以受益于更緊湊的產品尺寸，因為所有元器件（電感器、濾波器等）都更小。此外，低導通電阻和緊湊的芯片尺寸確保了低電容和柵極電荷。因此，SiC MOSFET的系統優勢包括最高效率、更快的工作頻率、更高的功率密度、更高的工作溫度、更低的EMI，以及更小的系統尺寸，提供最高的效率。

因此，碳化硅（SiC）器件可在住宅太陽能系統中實現更小的逆變器，同時提供比硅基器件更好的性能。安森美的650 V EliteSiC分立MOSFET在VGS和溫度范圍內均具有較低的RDS(ON)，并且可以使用負柵極電壓進行驅動，從而提高了抗噪性，并避免在橋式拓撲中使用時出現錯誤導通。

安森美還提供廣泛的產品和工具組合，以簡化太陽能系統的器件選擇，包括推出SECO?HVDCDC1362?40 W?GEVB 40 W SiC高壓輔助電源參考設計，其中包括加快產品開發所需的一切（用戶手冊、物料清單、Gerber文件等），安森美還為希望執行更高級系統評估和開發的系統設計人員提供SPICE模型，通過SPICE模型能夠研究電路、模塊和芯片級的反向恢復行為和寄生效應，該模型還支持熱仿真和自熱效應的探索。

SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB評估板是40 W SiC高效的初級側調節（PSR）高壓輔助電源，該設計可在250V至900V的寬輸入直流電壓范圍內，提供穩定的15V輸出和40W功率，因此適用于400V和800V電池系統。

該板采用NCP1362準諧振峰值電流PSR反激控制器、3引腳成本優化型NVHL160N120SC1 160mOhm 1200V SiC MOSFET和FFSP0665B-F085 SiC二極管。得益于SiC FET的高阻斷電壓能力和超低柵極電荷（34 nC）值，開關損耗顯著降低，并且該電路板在低線路輸入條件下為應用展現了高達86%的卓越效率。NCP1362控制器的顯著驅動能力允許SiC FET在12V下直接運行，無需預驅動器，從而簡化了布局并減少了元器件數量。

反激變壓器可提供4 kV隔離，并經過優化以最大限度地減少RCD緩沖器上的損耗。因此，該系統有效地抑制了高線路上的漏極電壓過沖，并為SiC FET提供了100V的裕量。

太陽能發電和存儲是減少碳排放，以及為我們的日常生活構建可持續能源的重要技術。為了在這個不斷增長的市場中取得成功，設備制造商需要靈活的解決方案來提高能源質量、效率和可靠性，同時降低安裝和運營成本。安森美是值得信賴的合作伙伴，提供完整的產品線與開發工具，設備制造商將可以確信他們的太陽能產品，將可以最低成本滿足客戶需求所需的效率、可靠性和耐用性。