Ứng dụng

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và dồi dào nhất hiện có. Các tế bào hoặc tấm pin quang điện (PV) mặt trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Sự phát triển mạnh mẽ và sản xuất quy mô lớn các tấm pin mặt trời đã bắt đầu từ đầu thiên niên kỷ mới này. Dung lượng toàn cầu của PV mặt trời đã đạt 494,3GW vào năm 2018 và dự kiến sẽ tăng hơn 1TW trong khoảng thời gian từ 2019 đến 2030 (Nguồn: Cơ sở dữ liệu Năng lượng GlobalData). Phần lớn sự gia tăng dung lượng trong giai đoạn này được ước tính sẽ đến từ Trung Quốc, Ấn Độ và các quốc gia khác ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương. Với tốc độ tăng trưởng nhanh chóng của công suất lắp đặt và sự cải tiến công nghệ, chi phí vốn trung bình để thiết lập hệ thống PV mặt trời giảm đáng kể, nhưng vẫn còn chênh lệch lớn giữa các quốc gia. Chi phí sản xuất giảm và các chính sách của chính phủ đang dẫn đến giá hệ thống trung bình của PV mặt trời giảm xuống. Chi phí vốn trung bình toàn cầu cho nhà máy PV mặt trời là $4.162/kilowatt (KW) vào năm 2010, giảm xuống còn $1.240/kW vào năm 2018, và dự kiến sẽ tiếp tục giảm dựa trên các ước tính chi phí ở nhiều quốc gia, đạt mức $997 vào năm 2030. Hình dưới đây cho thấy xu hướng giá hệ thống trung bình của PV mặt trời toàn cầu và của năm quốc gia hàng đầu về PV mặt trời trong khoảng thời gian từ 2010 đến 2018.

Thị trường PV Mặt trời, trung bình toàn cầu chi phí của các quốc gia chính và toàn cầu ($/KW), 2010–2018 (Nguồn: GlobalData)

Để duy trì tính cạnh tranh, các nhà sản xuất hệ thống PV và điện đang liên tục tìm kiếm các công nghệ mới. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng và trọng lượng/cỡ kích thước biến tần cùng với chi phí vật liệu đều là những khía cạnh mà thiết kế cần phải xem xét. Mức công suất và điện áp của bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời thay đổi tùy theo ứng dụng. Các ứng dụng dân dụng thường dưới 10kW, và thương mại phổ biến nằm trong khoảng từ 10kW đến 70kW. Nhà máy điện quy mô tiện ích có công suất trên 70kW. Hiện nay, hầu hết các nhà máy điện vẫn sử dụng điện áp bus tối đa là 1000V, nhưng gần đây các trang trại năng lượng mặt trời lớn đã bắt đầu tăng điện áp PV lên 1500V từ 1000V. Điện áp cao hơn có thể giảm tổn thất bán dẫn và đồng thời cải thiện thêm hiệu quả của hệ thống điện. Đối với điện áp bus 1500V, các kiến trúc boost và inverter 3 cấp trở thành giải pháp duy nhất khả thi với thiết bị chuyển mạch 1200V.

Các đi-ốt SiC đã được sử dụng rộng rãi trong thiết kế bộ chuyển đổi tăng áp PV, và các MOSFET SiC đã được sử dụng trong việc phát triển nhiều biến tần hiệu suất cao. Dưới đây là hai ví dụ về cấu trúc được sử dụng trong thiết kế biến tần PV.

biến tần 60kW với giải pháp MOSFET SiC TO-247

biến tần 1500V 150kW với giải pháp MOSFET SiC TO-247 và mô-đun SiC IV1E IVCT đã phát triển một bộ chuyển đổi tăng áp 20kW đan xen để minh họa hiệu suất của đi-ốt SiC và MOSFET. Bộ chuyển đổi sử dụng bốn MOSFTEs IV1Q12080T4 80mOhm 1200V và bốn đi-ốt IV1D12010T3 10A 1200V. Tại tần số 65kHz, bộ chuyển đổi đạt hiệu suất 99.4% với điện áp đầu vào 600V và đầu ra 800V. Các MOSFET được điều khiển bởi bộ điều khiển MOSFET SiC IVCR1401. Các sóng hình bên dưới cho thấy các cạnh lên và xuống Vds rõ ràng.