Luglio 9, 2012

Francesco Ferrari

IGBT da 650V per inverter fotovoltaici

Crescendo i consumi globali di energia elettrica cresce anche l'esigenza di fonti alternative capaci di minimizzare l'impatto sull'ambiente. La generazione di energia “pulita” si è fatta via via sempre più concretizzabile grazie alle più recenti novità in termini di tecnologie di processo, topologie di sistema e componenti.

Crescendo i consumi globali di energia elettrica cresce anche l'esigenza di fonti alternative capaci di minimizzare l'impatto sull'ambiente. La generazione di energia “pulita” si è fatta via via sempre più concretizzabile grazie alle più recenti novità in termini di tecnologie di processo, topologie di sistema e componenti.

Si prevede che la generazione fotovoltaica avrà un impatto significativo sull'equazione energetica globale, ed è stato dimostrato come sia economicamente perseguibile e tecnologicamente fattibile. Gli ultimi progressi nella tecnologia delle celle fotovoltaiche e la recente disponibilità di dispositivi a semiconduttori ad alta efficienza, alte prestazioni e basso costo agevoleranno l'implementazione di sistemi a energia rinnovabile efficienti, economici e affidabili.

 

Nuovi IGBT da 650V

L'aumento della tensione di breakdown è un traguardo particolarmente ricercato a causa dei particolari requisiti applicativi del nuovo mercato del solare, che richiede dispositivi da 650V per poter avere un margine superiore sullo stadio di ingresso di un convertitore a causa dei picchi di tensione che arrivano dal bus del pannello solare.

La caduta della tensione di rottura al diminuire della temperatura è un altro motivo per disporre di superiori tensioni di blocco, dato che gli inverter fotovoltaici possono essere installati in esterni. Inoltre, la topologia a tre livelli con aggancio dell'uscita al punto neutro (NPC) viene applicata anche agli inverter fotovoltaici a bassa e media potenza in quanto consente di ridurre le dimensioni e i costi dei filtri migliorando le performance spettrali della tensione di uscita e aumentando possibilmente la frequenza di commutazione senza sacrificare troppo il sistema in termini di perdite di commutazione. Dal momento che la tensione di link DC non può essere bilanciata perfettamente nella topologia a tre livelli NPC, ecco che diviene essenziale una tensione di blocco più elevata.

Con lo sviluppo di IGBT da 650V è importante mantenere le perdite di commutazione e di conduzione allo stesso livello degli IGBT da 600V. Di solito tensioni di rottura superiori causano un incremento della tensione di saturazione Vce(sat) e questo porta a un degrado delle prestazioni degli inverter PV. Inoltre, il rapporto tra Vce(sat) e performance di commutazione è inversamente proporzionale: compensare un incremento della tensione Vce(sat) nei design con una tensione di rottura superiore può rallentare le performance di commutazione e condurre a maggiori perdite di commutazione nel sistema. Trovare dunque un punto di equilibrio ottimale in questo rapporto è essenziale per sviluppare IGBT da 650V.

Fig. 1 Caratteristiche DC; tensione di saturazione

La Fig. 1 evidenzia le caratteristiche di Vce(sat) degli IGBT da 600V e 650V critiche rispetto alla perdita di conduzione: le curve sono pressoché le stesse. Nel dettaglio, il nuovo IGBT da 650V mostra una tensione Vce(sat) inferiore fino al limite dei 60A di corrente nominale a temperatura ambiente o fino a 30A a temperature elevate, ma la differenza è molto piccola. La Fig. 2 mostra le perdite di commutazione di turn-on e turn-off. Le condizioni di test sono Vdd=400V, Vge=15V e Rg=3Ohm. Esiste inoltre poca differenza tra i due IGBT: le prestazioni della commutazione sono le stesse a temperature elevate e a metà della corrente nominale. Il totale delle perdite di commutazione del nuovo IGBT da 650V è maggiore del 5% a temperatura ambiente e corrente nominale. Per riassumere, le prestazioni del nuovo IGBT da 650V sono praticamente identiche ai livelli operativi tipici di temperatura e corrente, e ciò viene verificato attraverso una valutazione del circuito.

 

Efficienza negli inverter fotovoltaici

Per valutare le prestazioni a livello di sistema viene effettuata un'analisi delle perdite in base ai dati di caratterizzazione degli IGBT mostrati nelle Fig. 1 e Fig. 2.

Fig. 2 Perdite di commutazione secondo la corrente di collettore

Come topologia target viene scelto un inverter full-bridge con un metodo per il controllo della commutazione misto.

 

 

 

Fig. 3 Perdite di commutazione secondo la corrente di collettore

 

La Fig. 3 è un diagramma della topologia e della forma d'onda di corrente di ciascun IGBT. Un IGBT high-side commuta molto velocemente, mentre un IGBT low-side lo fa alla frequenza di linea e fornisce un percorso freewheeling durante un altro mezzo ciclo.

 

Fig. 4 Perdita di potenza stimata

La Fig. 4 indica le perdite di potenza stimate per ciascun IGBT quando la frequenza di commutazione degli IGBT high-side è di 17kHz e la potenza di uscita di 3kW. Le tensioni di ingresso e di uscita sono rispettivamente di 400VDC e 220VAC. Per semplificare le equazioni e ottenere rapidamente i risultati della simulazione, si assume che la temperatura dell'IGBT sia pari a 70 gradi centigradi. Dal momento che la corrente di collettore dell'IGBT è intorno a 19A o meno di metà della corrente nominale anche calcolando le correnti di picco causate dalla corrente di recovery inverso del diodo presente nel package, il nuovo IGBT da 650V mostra una piccola perdita di potenza quando commuta alla frequenza di linea: è dunque ben allineato alle caratteristiche DC indicate in Fig. 1. Negli IGBT high-side ad alta frequenza di commutazione, invece, la perdita di potenza principale è la perdita di commutazione e il nuovo IGBT da 650V mostra una perdita lievemente superiore. Ancora una volta, questo dato è conforme ai dati della perdita di commutazione evidenziati dalla Fig. 2.

Il nuovo IGBT da 650V viene applicato anche a un inverter fotovoltaico da 3kW monofase collegato alla rete di distribuzione e l'efficienza valutata rispetto agli IGBT da 600V esistenti. Le specifiche di ingresso e uscita sono in gran parte le stesse delle condizioni di simulazione: full-bridge con controllo di commutazione a frequenza misto e 17kHz di frequenza di commutazione high-side.

Fig. 5 Risultato del test di efficienza

La Fig. 5 mostra le curve di efficienza di entrambi gli IGBT. Con poca potenza in ingresso, la perdita di commutazione rappresenta una buona fetta della perdita di potenza totale e quindi l'efficienza del nuovo IGBT da 650V è inferiore dello 0,2% a 300W o dello 0,08% a 600W. Al crescere della potenza in ingresso, il fattore di perdita primario diventa la perdita di conduzione e l'efficienza del nuovo IGBT da 650V aumenta dello 0,19% a 2250W o dello 0,13% a 3kW. L'efficienza pesata CEC del nuovo IGBT da 650V è del 96,7%, mentre quella degli IGBT da 600V è del 96,62% dal momento che il coefficiente è maggiore al 75% della potenza massima, 2250W in questo caso. Dai risultati dei test di efficienza a livello di sistema e dalla simulazione dell'analisi delle perdite si conferma come le performance del nuovo IGBT da 650V equivalgano a quelle degli IGBT da 600V esistenti offrendo però una superiore tensione di blocco.

In conclusione, per quanto riguarda le le prestazioni di un nuovo IGBT da 650V in un inverter fotovoltaico, il dispositivo offre una superiore tensione di blocco senza sacrificare le performance. Si tratta di una soluzione perfetta per gli inverter PV e per altri sistemi per la conversione di potenza che richiedono tensioni di blocco più elevate.

 

 

 

 

 

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