Applicazioni

L'energia solare è la fonte di energia rinnovabile più pulita e abbondante disponibile. I dispositivi per convertire l'energia solare in elettricità sono le celle o pannelli fotovoltaici (PV). Lo sviluppo intensivo e la produzione su larga scala di pannelli solari hanno avuto inizio con questo nuovo millennio. La capacità globale di energia solare PV ha raggiunto i 494,3 GW nel 2018 e si prevede che cresca di oltre 1 TW tra il 2019 e il 2030 (Fonte: GlobalData Power Database). La maggior parte dell'aumento della capacità durante questo periodo è stimata provenire dalla Cina, dall'India e da altri paesi del Pacifico asiatico. Con la rapida crescita della capacità installata e i miglioramenti tecnologici, il costo medio del capitale per l'impianto di energia solare PV diminuisce significativamente, ma varia ancora ampiamente da paese a paese. Il costo di produzione in calo e gli incentivi governativi stanno portando a una riduzione del prezzo medio del sistema solare PV. Il costo medio globale del capitale per le centrali solari PV era di $4.162/kilowatt (KW) nel 2010, riducendosi a $1.240/kW nel 2018, e si stima che scenderà ulteriormente basandosi sulle stime di costi in diversi paesi, raggiungendo $997 entro il 2030. La figura sottostante mostra la tendenza del prezzo medio del sistema globale di energia solare PV e dei cinque paesi con maggiore produzione di energia solare PV tra il 2010 e il 2018.

Mercato fotovoltaico, costo medio dei paesi chiave e globale ($/KW), 2010-2018 (Fonte: GlobalData)

Per rimanere competitivi, i produttori di sistemi fotovoltaici e di energia stanno continuamente cercando nuove tecnologie. L'efficienza di conversione energetica, il peso/dimensioni dell'invertitore e il costo dei materiali sono tutti aspetti che una progettazione deve prendere in considerazione. I livelli di potenza e tensione dei convertitori solari variano in base alle applicazioni. Le applicazioni residenziali sono generalmente inferiori a 10kW, mentre quelle commerciali comunemente vanno da 10kW a 70kW. Le centrali elettriche su scala utilitaria superano i 70kW. Attualmente, la maggior parte delle centrali utilizza ancora una tensione massima del bus di 1000V, ma i più recenti parchi solari sviluppati hanno iniziato ad aumentare la tensione fotovoltaica a 1500V rispetto ai precedenti 1000V. Una tensione più alta può ridurre le perdite di semiconduttori e rame e migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema di potenza. Per una tensione del bus di 1500V, le topologie a 3 livelli per boost e invertitore diventano l'unica soluzione valida con dispositivi di commutazione a 1200V.

I diodi SiC sono stati ampiamente utilizzati nella progettazione dei convertitori boost fotovoltaici, mentre i MOSFET SiC sono stati impiegati nello sviluppo di molti inverters ad alta prestazione. Di seguito sono riportati due esempi di topologie utilizzate nella progettazione degli inverters fotovoltaici.

inverter da 60kW con soluzione MOSFET SiC TO-247

inverter da 150kW a 1500V con soluzione MOSFET SiC TO-247 e modulo SiC IV1E IVCT ha sviluppato un convertitore boost interdigitato da 20kW per dimostrare le prestazioni dei diodi e MOSFET SiC. Il convertitore utilizza quattro MOSFET IV1Q12080T4 da 80mOhm a 1200V e quattro diodi IV1D12010T3 da 10A a 1200V. A 65kHz, il convertitore raggiunge un'efficienza del 99,4% con ingresso di 600V e uscita di 800V. I MOSFET sono pilotati dal driver MOSFET SiC IVCR1401. I segnali sottostanti mostrano margini puliti di salita e discesa di Vds.