وحدة طاقة 2 كيلو فولت SiC MOSFET في طوبولوجيا ذات مستويين لسلسلة محولات الطاقة الشمسية

وحتى لو كان من الصعب تقدير القدرة الشمسية على مستوى العالم بدقة، فإن هذا المصدر يظل هو الأسرع نموًا بين جميع مصادر الطاقة المتجددة. وفقًا لـ SolarPower Europe، وهي جمعية لقطاع الطاقة الشمسية الكهروضوئية الأوروبي، فإنها تمثل أكثر من 50٪ من 302 جيجاوات من القدرة المتجددة المثبتة عالميًا في عام 2021.

تشير BloombergNEF (BNEF)، وهي شركة أبحاث استراتيجية، إلى أن قدرة الطاقة الشمسية العالمية تضاعفت في السنوات الثلاث المنتهية في عام 2021، متجاوزة علامة الواحد تيراواط في أبريل. وتوافق الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (إيرينا)، وهي منظمة حكومية دولية تدعم التبني الواسع النطاق لكل أشكال الطاقة المتجددة، على هذا التقدير، والذي كان من المفترض أن تمثل الصين ما يقرب من 40% منه. وتقول BNEF أيضًا في تقرير جديد إن المنشآت الجديدة يمكن أن تصل إلى 574 جيجاوات هذا العام، و627 جيجاوات في عام 2025، و880 جيجاوات في عام 2030.

أنواع العاكس للطاقة الشمسية

أصبحت أنظمة العاكس الشمسية 1.5 كيلو فولت شائعة جدًا في المشاريع ذات النطاق الخدمي لأن خرج جهد التيار المتردد العالي (800 فولت من خط إلى خط) يقلل من حجم التيار والكابل بنفس طاقة الخرج لأنظمة 1 كيلو فولت التي تنتج جهد خرج تيار متردد 400 فولت. عادةً ما يكون تصنيف الطاقة لعاكس شمسي مركزي واحد بقدرة 1.5 كيلو فولت أعلى من 1 ميجاوات ولا يحتوي على محول تعزيز DC-DC لتتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT) والذي يوفر مزايا التكلفة مقابل أنظمة 1 كيلو فولت.

MPPT هي تقنية تستخدم لتعظيم استخراج الطاقة من مصادر الطاقة المتغيرة مع تغير الظروف. يمكن أن تكون هذه العوامل في المقام الأول ضوء الشمس والتظليل، ولكن أيضًا درجة حرارة الألواح الشمسية، وخصائص الحمل الكهربائية. تم تحسين النظام من خلال تكييف خاصية الحمل للحفاظ على نقل الطاقة بأعلى كفاءة.

تكتسب حلول العاكس سلسلة 1.5 كيلو فولت اليوم شعبية فيما يتعلق بالأنظمة المركزية. العاكس الشمسي ذو السلسلة هو نوع من العاكس الكهروضوئي المصمم للاتصال بمجموعة واحدة أو أكثر من الوحدات الكهروضوئية المتسلسلة، مع طاقة تتراوح من 100 كيلو واط إلى 400 كيلو واط ومحولات تعزيز DC-DC متعددة لـ MPPT. يرجع اسمها إلى أن الوحدات الكهروضوئية المختلفة مرتبطة ببعضها البعض لتشكل “سلسلة”.

من بين المزايا، يمكننا ملاحظة استخلاص أفضل للطاقة من MPPT الفردي، وتقليل وقت التوقف عن العمل في حالة فشل وحدة عاكس واحدة، وتحسين التحكم والمراقبة. تم اقتراح حل جيد لجهد ناقل التيار المستمر البالغ 1.5 كيلو فولت بواسطة onsemi في ورقة قدمت في APEC في فبراير 2024¹. في هذا البحث، يعرض المؤلفون وحدة الطاقة المتكاملة (PIM) SiC MOSFET المحسنة بقدرة 2 كيلو فولت مناسبة لتطبيق تعزيز الطاقة الشمسية بقدرة 1.5 كيلو فولت حيث يكون الحد الأقصى لتيار إيقاف التشغيل أقل من 100 أمبير.

تعزيز بمستويين مقابل محولات تعزيز ذات 3 مستويات

يوضح الشكل 1 ثلاث طوبولوجيات تعزيز: أ) متماثل ثلاثي المستوى ب) مكثف طائر ثلاثي المستوى ج) أحادي المستوى ثنائي الأطراف.

في حين أن الهيكل ثنائي المستوى بسيط وجذاب بشكل واضح، فإن هيكل المكثف الطائر ثلاثي المستوى مفضل على البديل المتماثل ثلاثي المستويات لأنه يسمح بتعديل عرض النبضة المشذر (PWM) للمفاتيح ذات الجانب المنخفض والعالي (IGBTs). في الشكل 1) مما يضاعف تردد التبديل لتيار الحث.

يوفر المكثف الطائر إزاحة للخرج، وبالتالي فإن جهد الخرج هو ببساطة مجموع أو اختلاف مستويات الجهد. هناك حاجة إلى دوائر إضافية، مثل الصمام الثنائي أو المرحل، للشحن المسبق للمكثف الطائر أثناء بدء التشغيل وإدارة طفرات الجهد، على الرغم من ذلك، انظر الثنائيات ذات الألوان الفاتحة في الشكل 1 (ج).

حلول أشباه الموصلات

أحد الحلول الأكثر شيوعًا لمحول التعزيز ثلاثي المستويات يتكون من السيليكون IGBTs وثنائيات SiC المصنفة بـ 1 كيلو فولت و1.2 كيلو فولت، على التوالي. في العاكس الشمسي 1.5 كيلو فولت مع دورة عمل تتراوح من 20% إلى 30%، تحدث الخسائر الأكثر شيوعًا عند إيقاف التشغيل بسبب ذيل التيار. على العكس من ذلك، يتيح حل SiC MOSFET الكامل تقليل طاقة إيقاف التشغيل E_عن.

يقارن الجدول 1 الخسائر في محول ثلاثي المستويات لمكثف الطيران باستخدام IGBT PIM (NXH600Bl00H4Q2F2S1G) وفي محول ثنائي المستوى مع 2 كيلو فولت / 20 مللي أوم SiC MOSFET PIM. من المفترض أن يعمل محول تعزيز MPPT في الظروف التالية: جهد الإدخال 880 فولت، جهد الخرج 1080 فولت، تيار الإدخال 40 أمبير، تردد تبديل IGBT f_{جنوب غرب} 16 كيلو هرتز، و SiC MOSFET f_{جنوب غرب} 32 كيلو هرتز، لذلك يتدفق نفس التيار المموج عبر مغو 130 مللي أمبير. كما نرى، فإن إجمالي E_عن من IGBTs هو 2 × 52.89 = 105.78 واط، أي ما يقرب من ضعف قوة SiC MOSFET (54.9 واط). فيما يتعلق بإجمالي الخسائر، يسمح SiC MOSFET الكامل بتوفير 83.23 واط، مما يشير إلى تحسين الكفاءة بنسبة 0.25%. يصل هذا التحسن أيضًا إلى ما يقرب من 1 كيلو واط من الخسائر المنخفضة في عاكس شمسي نموذجي بقدرة 12 ميجابت في الثانية.

وحدة الطاقة والتصميم الحراري

يعتبر 1.6 كيلو فولت هو أعلى جهد عابر لحافلة التيار المستمر، والذي يحدث عادةً بسبب اضطراب شبكة التيار المتردد. لقد تم تصنيع أجهزة SiC MOSFET بجهد مقنن يبلغ 2 كيلو فولت لهذا التطبيق. حزمة 107 مم × 47 مم تناسب 20 مللي أوم SiC MOSFET و50A SiC SBD (شريحتان 25A بالتوازي). تم تصميم 4 MPPTs في حزمة onsemi Q2 واحدة ². استنادًا إلى محاكاة الخسارة، يجب تبديد خسارة إجمالية قدرها 627 وات من PIM واحد، وهو أمر ممكن باستخدام لوحة قاعدة نحاسية مقاس 3 مم مع مقاومة حرارية صغيرة من الوصلة إلى المبدد الحراري. في هذا PIM المملوء بالهلام، يعد تصميم الركيزة النحاسية الرابطة المباشرة (DBC) أمرًا بالغ الأهمية، وبالتالي Al₂يا₃ يمكن اختيار مادة السيراميك كمفاضلة جيدة بين الأداء والتكلفة.

وينبغي التقليل من تأثير الاقتران الحراري عن طريق فصل النرد. ومع ذلك، فإن تقليل محاثة حلقة التبديل (المحاثة الطفيلية المرتبطة بالدائرة أثناء تحولات التبديل) مهم أيضًا لتقليل فقد إيقاف التشغيل وارتفاع الجهد، ولكن يجب تحقيق هذا الهدف عن طريق وضع النرد في أقرب وقت ممكن. يمكن أن يكون حل هذه المعضلة هو مسار تيار عكسي يساعد على تقليل محاثة الحلقة بسبب الإلغاء المغناطيسي. تم اعتماد دبوس مصدر كلفن أيضًا لتحسين سرعة التبديل.

درجة حرارة الوصلة T_ي يعد أحد أكبر التحديات في تصميم PIM. على الرغم من أن جهاز SiC نفسه يمكن أن يعمل بدرجة أعلى بكثير من 200 درجة مئوية، إلا أن اعتبارات السلامة تفرض ألا تتجاوز درجة حرارة التشغيل 175 درجة مئوية. من الضروري وجود قيمة أقل (150 درجة مئوية) مع الأخذ في الاعتبار تموج درجة الحرارة أثناء التبديل، وفرق درجة الحرارة بين مركز القالب وزاوية القالب، وما إلى ذلك.

يوصى أيضًا بشدة بأخذ هامش معين بحيث تظل درجة حرارة الوصلة في النهاية بين 120 درجة مئوية إلى 135 درجة مئوية. تعطي محاكاة فقدان SiC MOSFET النموذجية باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FAE) درجة حرارة توصيل قصوى تبلغ 158 درجة مئوية لوحدة SiC MOSFET واحدة بقدرة 20 مللي أوم، بافتراض أن المبدد الحراري عبارة عن لوحة تبريد لا نهائية تعمل عند 90 درجة مئوية. تتجاوز درجة الحرارة هذه الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة وبالتالي يجب تخفيضها. الطريقة الأكثر اقتصادا للقيام بذلك هي استبدال قالب 20 مللي أوم من SiC بنردين أصغر على التوازي، 40 مللي أوم لكل منهما، ومساحة إجمالية مكافئة للرقاقة. يؤدي هذا الترتيب إلى زيادة مساحة التبديد الحراري المكافئة في الاتجاه الرأسي وفي النهاية يسمح بـ T_ي لتنخفض من 158 درجة مئوية إلى 137 درجة مئوية، مما يضمن عمرًا معقولاً لـ PIM.

تحليل التكلفة والاستنتاجات

في حين أن مكونات SiC هي بطبيعتها أكثر تكلفة من IGBTs السيليكون، فإن ما يهم هو تكلفة النظام التي تكون أقل بالنسبة لحل SiC 2 كيلو فولت. الافتراضات هنا هي: 12 MPPTs، كل MPPT تتحكم في تيار إدخال اللوحة 40A. من المفترض أن تكون تكلفة PIM NXI-1600BlOOI-14Q2F2SlG المستندة إلى IGBT، والتي تحتوي على 3 MPPTs، هي خط الأساس (100٪)، في حين أن تكلفة 2kV SiC MOSFET Boost PIM أعلى بنسبة 50٪. يمكن تنفيذ 12 MPPTs باستخدام أربع IGBT PIMs أو ثلاث وحدات من SiC PIMs.

لكل MPPT، هناك فقط (3 × 150% – 4 × 100%)/12 = 4.15% فجوة سعرية بين الحلين. يمكننا أيضًا أن نفترض أن برنامج تشغيل البوابة الإضافي لحل IGBT ذو المكثف الطائر يترجم إلى تكلفة إضافية بنسبة 1٪. يعد حل SiC أكثر كفاءة من الناحية الحرارية في ضوء خسائره المنخفضة؛ لذلك يمكننا أن نفترض انخفاض تكلفة المبدد الحراري بنسبة 1% لخيار SiC ذو المستويين.

علاوة على ذلك، تحتاج طوبولوجيا المكثف الطائر إلى مكثفات إضافية، والمزيد من أجهزة ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتكلفة إضافية لبراءات اختراع الهيكل وموارد التحكم؛ التكلفة الأعلى بنسبة 3٪ تبدو عادلة. بناءً على الحساب أعلاه، تصبح تكلفة حل SiC الفعلي 4.15% – (1%+1%+3%) = -0.85%. وبعبارة أخرى، فإن محول الطاقة الشمسية 2 كيلو فولت SiC أرخص من المحول المعتمد على IGBTs بنسبة 15٪.

مراجع

¹ وحدة طاقة معززة كاملة من SiC MOSFET DCDC باستخدام 2 KV SiC MOSFET لتطبيقات العاكس الشمسي بسلسلة 1500 فولت، وحدة أعمال Yusi Liu Green Industrial Solutions onsemi
² مذكرة تطبيق onsemi AND9867 – تعليمات التركيب لوحدات PIM (Q0، Q1، Q2، F1، F2) (onsemi.com)

ظهرت وحدة الطاقة 2 كيلو فولت SiC MOSFET في طوبولوجيا ذات مستويين لسلسلة محولات الطاقة الشمسية لأول مرة على Power Electronics News.