探讨住宅太阳能系统的主要组成部分，提高系统的效率、可靠性和成本优势。
作者：安森美
预计在未来五年，住宅太阳能系统的部署将激增，为用户提供许多好处，包括提供可靠、清洁和绿色的能源，为家用电器供电，为电动汽车充电，将多余的电力输送至电网。本文概述了住宅太阳能系统的主要组成部分，并介绍了采用安森美 (onsemi) 的各种电源方案方案，有助于提高太阳能系统的效率、可靠性和成本优势。

住宅太阳能逆变器系统概述
住宅太阳能逆变器系统中包括了产生可变直流电压的光伏面板阵列。升压转换器使用“最大功率点跟踪”(MPPT) 方法（根据阳光的强度和方向优化能量采集），将可变直流电压提升到更高的直流链路电压。然后，单相 DC/AC 逆变器将光伏面板阵列的直流链路电压（通常 < 600 VDC）转换为交流电压（120 至 240 V），然后连接到负载或电网。


图1：住宅太阳能逆变器系统框图

住宅太阳能逆变器类型多样，但最常见的两种是微型逆变器和组串式逆变器。微型逆变器太阳能系统使用多个 DC/AC 逆变器，每个逆变器连接到一个光伏面板，通常可产生高达 1 kW 的输出功率。因为每块面板的电压水平都是单独跟踪的，所以这是一种高效的方法。此外，微型逆变器系统易于扩展，以满足所需的能源容量。而组串式逆变器系统将来自多个并行的光伏面板的输入相结合以提供数百伏电压。但连接几个太阳能电池板的组串式逆变器的效率不如微型逆变器系统，如果其中一个面板接收的光比并行的其他面板少，则整个系统输出都会受到影响。但成本会比每个面板都配备一个逆变器的微型逆变器系统便宜。


图 2：微型逆变器系统（左）和组串式逆变器系统（右）的框图

功率优化器（集成 MPPT 的 DC−DC 转换器）有助于提高组串式逆变器系统的效率。它将光伏面板的可变直流电压转换为固定直流电压，使得单个面板的低光伏输出不会影响整体效率。

电池储能系统
电池储能系统 (BESS) 是住宅太阳能系统中另一个至关重要的组成部分。大多数情况下，能量的采集发生在用电需求最低的时候，即白天人们外出上班时。使用锂电池或铅酸电池储存能量，就可以在需要时（晚上人们在家时）灵活用电。双向转换器将 BESS 连接到太阳能系统。当光伏面板发电时，转换器为电池组充电。晚上，当面板不发电时，双向转换器会将电池中储存的能量释放出来，用于驱动负载。在本地存储能源还能在电力短缺或电网中断时提供额外的后备电源保证。此外，模块化储能系统可以在不对现有系统进行重大改动的情况下轻松添加。

DC−DC 升压变换器
单升压 DC-DC 变换器是住宅系统中最常见的非隔离拓扑结构，而反激式变换器常用于需要隔离的情况。这两种拓扑结构成本较低，并且外形小巧。

DC-AC 变换器
住宅太阳能系统的逆变器可以使用多种拓扑结构构建，例如采用安森美 NXH75M65L4Q1 H6.5 IGBT 模块的逆变器。该设计不需要变压器，降低了整个系统的重量、尺寸和成本。该拓扑结构有助于减小由共模 (CM) 电压作用于光伏阵列的寄生电容引起的漏电流。此外，它比基于 H 桥的方法效率更高。一般来说，单相和三相应用都推荐使用像这样的三电平拓扑结构，以最大限度地减少失真并提供更平滑的输出电压。


图 3：H6.5 拓扑结构适用于住宅太阳能逆变器

双向 DC−DC 变换器
双向 DC-DC 变换器对储能系统中的电池进行充电和放电。这通常使用谐振 CLLC 或双有源桥或者搭配简单的buck-boost隔离拓扑结构。它支持广泛的输入和输出电压，并使用零电压开关 (ZVS) 来提高效率。此外还提供额外的好处，将通过电池组与光伏面板隔离来保障安全性。

用于住宅太阳能系统的 IGBT
安森美的 600 V 和 650 V  IGBT适用于住宅太阳能系统。这些 IGBT 采用了窄台面、宽沟槽 Field Stop 4 (FS4) 技术，提供闩锁抗扰度和更小的栅极电容。场截止层能够提高耐压能力并且减少漂移层厚度，反过来也可以减少导通和开关损耗至30μJ/A以下。更薄的 IGBT 芯片还能降低热阻，而窄台面设计则提高了功率密度，实现以更小的封装提供相同的电流。在 4kW 升压转换器中，FS4 IGBT 设计的轻载效率比使用FS3 设计的转换器更高，其性能与其他竞品相当。

相比于 FS3，FS4 在最大效率方面高出 0.13%，在加权效率方面高出 0.08%。

图 4：4 kW 升压转换器中的场截止 4 (FS4) 效率

进一步提高性能
碳化硅 (SiC) 器件能够给住宅太阳能系统带来更小尺寸的逆变器，同时提供比硅基器件更好的性能。与硅 IGBT 相比，SiC 在高频开关时的 Eon 和 Eoff 损耗大大降低。此外，在更宽的温度范围内，SiC 比 IGBT 具有更高的稳定性，因此更加可靠。在快速开关频率下，SiC 器件产生的电磁干扰也比超级结 MOSFET 小。在高频工作期间，更好的散热性能和更低的开关损耗可减少整个系统的尺寸，从而实现更轻巧的逆变器设计。安森美 650 V EliteSiC 分立 MOSFET 在不同V_GS 和温度上都具有低 R_DS(ON)，我们建议使用负栅极电压来驱动，这不仅提高了抗噪性能，也避免了在桥式拓扑结构中使用时的误导通。
加速工程师设计住宅太阳能系统
安森美提供广泛的产品和工具组合，有助于简化太阳能系统的组件选择，包括 SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB 40 W SiC 高压辅助电源等参考设计。其中包括加快产品开发所需的各种资源（用户手册、物料清单、Gerber 文件等）。安森美还可为希望执行更进阶的系统评估和开发的系统设计者提供 SPICE 模型。这些 SPICE 模型有助于研究开关器件的反向恢复行为以及电路、模块和芯片的寄生效应。此外，这些模型还支持热仿真，以探索自热效应。
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