Производители и потребители стремятся отказаться от зависимости от ископаемого топлива, поэтому решения в области электрификации пользуются широкой популярностью. Это важно для защиты окружающей среды, ограничения загрязнения и замедления разрушительной тенденции глобального потепления. Электрические транспортные средства (EV) становятся все более распространенными по всему миру, и многие компании пытаются переоборудовать коммерческие и сельскохозяйственные транспортные средства (CAV) на электрическую тягу.

Однако этот переход приводит к быстрому росту потребности в электроэнергии, что создает огромную нагрузку на электросети. Несмотря на высокую эффективность, такие применения, как электромобили, центры обработки данных и тепловые насосы, все еще требуют значительного количества энергии для работы.

Новые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и волновая энергия, получают широкое распространение и постепенно становятся мейнстримом. Только приложения, полностью использующие возобновляемую энергию, могут считаться по-настоящему «чистыми».

Рынок солнечной энергии развивается уже много лет и является относительно зрелым. Согласно отчету Fortune Business Insights, текущий объем рынка солнечной энергии оценивается в 273 миллиарда долларов, а к 2032 году ожидается его рост до 436 миллиардов долларов. В 2023 году доля североамериканского рынка солнечной энергии превысила 40%.

Проблемы преобразования энергии в приложениях возобновляемой энергии

Производство солнечной энергии быстро растет. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2022 году производство солнечной энергии выросло на 26% по сравнению с предыдущим годом, достигнув 1300 ТВт·ч. Это означает, что солнечная энергия обогнала ветровую и стала крупнейшим источником возобновляемой электроэнергии.

Солнечные фотоэлектрические (ФЭ) панели производят постоянный ток (DC), а сети требуют переменного тока (AC), поэтому центральные фотоэлектрические инверторы являются неотъемлемой частью крупных сетевых установок. Вся энергия, вырабатываемая панелями, проходит через инвертор, поэтому эффективность инвертора имеет решающее значение. Хотя солнечная энергия неисчерпаема, низкая эффективность преобразования может привести к ограниченной передаче энергии в сеть. Потерянная энергия превращается в тепло, что создает серьезные проблемы, поскольку многие солнечные установки часто располагаются в солнечных и жарких местах, таких как пустыни.

Стоимость также является очень важным фактором, напрямую влияющим на счета потребителей за электроэнергию и прибыль энергетических компаний. Для достижения более высокой мощности многие центральные инверторы используют несколько параллельно соединенных преобразовательных модулей, количество которых зависит от номинальной мощности каждого модуля. Чем выше мощность каждого модуля, тем меньше модулей требуется, что позволяет снизить затраты.

Несмотря на значительный прогресс в области электромобилей, CAV все еще медленно переходят на электрическую тягу. CAV имеют большие размеры, потребляют больше топлива и производят больше выбросов за одну поездку. Хотя на их долю приходится всего 2% от общего количества транспортных средств, их выбросы парниковых газов составляют 28% от общего объема выбросов транспортного сектора. Хотя электрификация коммерческих пассажирских транспортных средств (например, автобусов) уже дает результаты, большинство крупных грузовиков, строительной техники и сельскохозяйственных транспортных средств (например, тракторов) все еще работают на дизельном топливе. Сейчас ситуация начинает меняться. Для соответствия строгим нормам по нулевым выбросам на мировых рынках, таких как Европейский Союз, Китай и Калифорния (США), ожидается, что к 2030 году доля продаж электрических грузовиков (чисто электрических и гибридных) увеличится с текущих 5% до 40-50%.

По сравнению с коммерческими транспортными средствами на ископаемом топливе, электрические коммерческие транспортные средства имеют более простую конструкцию и меньше движущихся частей. При одинаковой грузоподъемности электрические транспортные средства меньше по размеру, имеют более высокую надежность и более низкие затраты на техническое обслуживание. В настоящее время стоимость аккумуляторов значительно снизилась, и общая стоимость владения электрическими CAV уже ниже, чем у транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Как и в случае с солнечной энергетикой, эффективность является ключевым требованием для электрических CAV. Емкость аккумулятора каждого транспортного средства ограничена, и чем выше эффективность процесса преобразования в инверторе, тем больше расстояние, которое может проехать транспортное средство. Или для преодоления того же расстояния требуется меньше электроэнергии.

Учитывая нашу будущую зависимость от солнечной энергии и электрических CAV, надежность, естественно, становится очень важной.

Передовые силовые технологии для применения в инверторах

В приложениях с высокой мощностью, таких как трехфазные солнечные фотоэлектрические инверторы, распространенной топологией является трехуровневый активный нейтрально-зажимной (ANPC) преобразователь. Эта многоуровневая топология специально разработана для повышения производительности и эффективности системы.

Обычный нейтрально-зажимной (NPC) преобразователь использует диоды для подключения нейтральной точки конденсатора звена постоянного тока к выходу. В конфигурации ANPC (Рис. 1) зажим осуществляется с помощью ключей, что позволяет улучшить управление, уменьшить коммутационные потери и повысить эффективность, а также соответственно снизить потребность в мерах по отводу тепла, что способствует созданию более компактного и недорогого решения.

Расположение топологии снижает напряжение на каждом из ключей, тем самым повышая надежность. Кроме того, ANPC обеспечивает форму сигнала, благоприятную для сети.

Рис. 1: Преобразователь ANPC может быть легко построен с использованием модулей 

Инженеры-конструкторы могут создавать высокопроизводительные трехуровневые активные нейтрально-зажимные модули, объединяя параллельно несколько силовых модулей, например, IGBT модули QDual 3 от onsemi, что позволяет достичь выходной мощности системы от 1,6 МВт до 1,8 МВт.

Рис. 2: IGBT модуль QDual3

Модули QDual 3 интегрируют новейшую технологию IGBT с полевым отключением 7-го поколения (FS7) на 1200 В и диодную технологию, обеспечивая превосходную производительность для приложений с высокой мощностью. По сравнению с предыдущими поколениями, технология FS7 значительно улучшила потери на проводимость.

Рис. 3: Технология FS7 улучшает ключевые параметры производительности 

В технологии FS7 IGBT узкий траншейный мезаполучается низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(SAT)) и высокая плотность мощности, а протонная имплантация множественного буфера обеспечивает надежность и характеристики мягкого переключения (Рис. 2). Устройства FS7 средней скорости от onsemi имеют VCE(SAT) всего 1,65 В, что делает их подходящими для приложений управления движением; в то время как быстрые продукты FS7 имеют энергию выключения (EOFF) всего 57 мкДж/А, что делает их идеальными для высокомощных приложений, таких как солнечные инверторы и CAV.

Рис. 4: IGBT FS7 имеют меньший размер и более высокую плотность мощности

Инновационная технология FS7 позволила уменьшить размер кристалла в новых модулях QDual3 на 30% по сравнению с предыдущим поколением (Рис. 3). Такая миниатюризация в сочетании с передовым корпусом позволяет значительно увеличить максимальный номинальный ток. В приложениях управления двигателями при рабочей температуре до 150 градусов Цельсия выходная мощность QDual3 составляет от 100 кВт до 340 кВт, что примерно на 12% выше, чем у других продуктов на рынке.

Надежность является ключевым фактором для солнечных и CAV-приложений, поэтому способ сборки и тестирования модулей имеет решающее значение. Например, во многих аналогичных решениях для фиксации выводов используется проволочная сварка, в то время как onsemi выбрала ультразвуковую сварку модулей. Последняя способствует увеличению токовой нагрузки, обеспечивает лучший путь отвода тепла и является более прочной, чем первая (Рис. 4).

Рис. 5: Ультразвуковая сварка снижает температуру и повышает надежность 

Этот метод повышает электропроводность, тем самым уменьшая потери мощности и повышая эффективность. Кроме того, он снижает рабочую температуру, увеличивает механическую жесткость и повышает общую надежность модуля.

Новая мощная технология QDual3 от onsemi

Специализированный полумостовой IGBT модуль QDual 3 NXH800H120L7QDSG предназначен для центральных солнечных инверторов, систем накопления энергии (ESS) и источников бесперебойного питания (UPS); в то время как SNXH800H120L7QDSG предназначен для CAV. Оба устройства основаны на технологии FS7 и имеют улучшенные VCE(SAT) и EOFF, что снижает потери и повышает энергоэффективность.

В настоящее время при проектировании инвертора мощностью 1,725 МВт с использованием модулей IGBT на 600 А в архитектуре ANPC/INPC потребуется в общей сложности 36 модулей. Однако при использовании новых NXH800H120L7QDSG и SNXH800H120L7QDSG с номинальным рабочим током 800 А количество модулей, необходимых для конструкции, сократится на 9. Соответственно, размеры, вес и стоимость конструкции сократятся на 25%. Это очень ценно как для солнечных, так и для CAV-приложений, поскольку снижение веса и повышение эффективности приведут к увеличению запаса хода транспортных средств.

Рис. 6: Более высокая токовая способность позволяет использовать меньше модулей для построения системы 

Эти модули включают изолированное основание для терморегулирования и встроенный термистор NTC, а также поддерживают установку модулей непосредственно на печатную плату с помощью паяемых выводов. Стандартная компоновка облегчает модернизацию существующих конструкций до новой технологии QDual3.

Все модули QDual3 от onsemi проходят строгие испытания на надежность, уровень которых превышает показатели других аналогичных устройств на рынке. Наши испытания на влажность требуют, чтобы изделия выдерживали напряжение смещения 960 В в течение 2000 часов, в то время как аналогичные устройства выдерживают напряжение смещения 80 В в течение 1000 часов. Вибрационные испытания имеют решающее значение для CAV-приложений; наши изделия тестируются при пиковых значениях 30 G/среднеквадратичных 10 G в течение 22 часов, удовлетворяя требованиям AQG324. Другие устройства тестируются при уровне вибрации всего 5 G в течение всего 1 часа.

Заключение

Во всем мире все шире используется возобновляемая энергия, и электрические сети испытывают огромное напряжение. Производство солнечной энергии достигло зрелости, а в 2022 году оно обогнало ветровую энергию, став основным источником возобновляемой электроэнергии.

Несмотря на то, что транспортные средства на ископаемом топливе по-прежнему являются основным источником загрязнения, электрификация CAV неуклонно продвигается и уже приносит первые результаты.

Новые полупроводниковые технологии, такие как FS7 от onsemi, поддерживают разработку малопотерных мощных устройств для удовлетворения потребностей в эффективности и надежности в этих областях. На основе этой технологии новые устройства QDual3 от onsemi в компактном корпусе обеспечивают высокую плотность мощности и превосходную энергоэффективность. Хорошо сваренные выводы и сертификационные испытания, превосходящие показатели других устройств на рынке, гарантируют надежную работу устройств QDual3.

Благодаря токовой способности до 800 А у модулей нового поколения NXH800H120L7QDSG и SNXH800H120L7QDSG, количество модулей, необходимых для конструкции инвертора, может быть уменьшено на 25%, что позволяет дополнительно упростить конструкцию, уменьшить ее объем, массу и стоимость.

Это, несомненно, значительный прогресс, и onsemi продолжит углубленно изучать высокопроизводительный потенциал технологии FS7, стремясь представить больше модулей, превосходящих существующие стандарты, для удовлетворения растущих потребностей солнечной промышленности и производителей CAV.