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光伏增长势头强劲,芯片灵活性及可靠性要求提升

发布时间:2023年8月28日 | 文章来源:新能源网 | 浏览次数:253 | 访问原文

近年来,光伏市场进入了一个新的增长维度。SolarPower Europe数据显示,2022年全球光伏新增装机量达239GW,占所有可再生能源新增容量的三分之二。国家能源局也宣称,2022年我国工商业光伏新增装机达25.87GW,同比增长236.7%;2023年一季度工商业光伏新增装机9.21GW,刷新了年度记录。据悉,从新增装机量可以看出,目前中国是光伏装机最大增量市场。

国际能源署(IEA)也有类似的预测:2023年光伏投资将首次超过石油投资,不过,尽管光伏在持续增长,光伏仍只占全球发电量的4.5%,其强劲增长将持续到2023年及以后。

在细分市场,近年来屋顶光伏市场出现了明显繁荣。2022年,中国增加了51.1GW屋顶光伏,占新增总量的54%,较2021年增长29GW。

事实上,半导体技术的创新一直在助力深挖光伏应用的巨大潜力。除了单晶硅和多晶硅材料外,在光储一体化设计方面,碳化硅(SiC)等宽禁带器件和驱动类产品正在推进功率密度不断提升,系统成本进一步降低,同时实现更多的功能。

技术迭代助推光伏度电成本持续降低。从发展趋势来看,光伏系统的进展呈现出五大特点:

1)采用大尺寸、高效率光伏组件,如182/210mm大尺寸硅片;材料方面使用TOPCon(隧穿氧化层钝化接触)、HJT(异质结)、钙钛矿等电池结构,将光能转换效率从目前主流光伏电池的24.5%提高到28.7%-40%以上。

2)采用更大功率、更高功率密度的光伏逆变器,如300kW+组串式逆变器,以及4MW+集中/集散式逆变器,以实现最高的功率密度,使用户利益最大化。

3)采用更大容量、更高容配比的组网方阵,如1.2~1.8倍高容配比的4MW+、6MW+、12MW+,减少直流电缆、支架及基础、汇流箱用量,简化安装工程,为电站投资者带来更低造价成本和更高系统收益。

4)光伏发电与信息技术的完美融合,采用物联网(IoT)、人工智能(AI)、大数据等技术的信息化“智能光伏”电站,利用智慧大脑实现对光伏电站的集中运营和运维管理。

5)光储融合:目前逆变系统与储能系统已开始智能化深度融合,而光储一体化设计有助于进一步降低系统成本,使运行更稳定,调度响应更精准。利用高比例新能源接入实现直流侧光储一体化、交流侧独立储能,从而支持稳定并网,让光伏发电从适应电网走向支撑电网,加速光伏成为主力能源。

  纳芯微光储解决方案为可靠性保驾护航

作为一家高性能、高可靠性模拟及混合信号芯片公司,纳芯微将光伏作为其能源与电源业务的一个重要领域,解决方案覆盖光伏逆变器、储能变流器、光伏阵列/优化器和储能电池/BMS。日前,纳芯微已经与光伏行业的头部客户紧密合作,提供可靠的产品及服务。


图:纳芯微光储系统解决方案总览

纳芯微的产品覆盖广泛,包括:SiC功率半导体、隔离/非隔离驱动芯片、隔离电流/电压采样芯片、霍尔电流传感器、数字隔离器、隔离接口芯片、通用Buck/LDO/电源监控IC、通用运算放大器、高精度电压基准源、温湿度传感器/压力传感器等。

  一、纳芯微的SiC+驱动类产品组合

1)第三代半导体SiC器件,有效提高系统效率

SiC功率器件具有高耐压、高速开关、低导通电压和高效率等特性,有助于降低能耗并缩小系统尺寸。特别是在光伏、储能、充电桩等高压大功率应用中,碳化硅材料的优势得以更加凸显,光伏头部厂商已经开始在储能及组串MPPT(最大功率点跟踪)应用中采用第三代半导体器件。目前,SiC二极管在光伏行业也已经得到了成熟的应用。

为此,纳芯微推出了1200V系列SiC二极管产品。这些器件在单相或三相PFC、隔离或非隔离型DC-DC电路中均能表现出卓越的效率特性,完美满足中高压系统需求。如果将纳芯微的SiC产品和驱动类产品搭配使用,可以更好地满足客户系统个性化的需求。

2)光耦兼容的隔离驱动,更强抗干扰能力,确保系统稳定运行

光伏领域对可靠性有着极高的要求,产品寿命要求长达20年甚至更长,然而使用传统的光耦技术已经无法满足这一需求。纳芯微的单通道隔离驱动NSI6801能够很好地应对这一挑战,该系列产品也是目前纳芯微在光伏市场应用最广泛、出货量最大的驱动产品。NSI6801采用双电容增强隔离技术,兼容光耦输入,提供更强的隔离性能,CMTI大于150kV/us,有效提高了产品的抗干扰能力,使用寿命更长,使用温度范围更宽,开关频率更快,能够更好地适配SiC器件,稳定可靠运行。

3)具备多种保护功能的驱动芯片,满足大功率模块的严格要求

此外,在大功率应用中,不再只采用单颗功率器件,而是更倾向于采用功率模块。这些大功率模块对可靠性要求更加严格,因为驱动IC的失效会对整个系统造成影响。为满足这一挑战,纳芯微能够提供多种具备保护功能的驱动IC,如退饱和保护(Desat)、主动短路保护(ASC)、米勒钳位功能,产品包括单管隔离驱动NSI6601M、NSI6801M、NSI68515、NSI6611等。

4)更多隔离/非隔离驱动供选择,满足系统设计新需求

此外,新一代微型逆变器也逐渐开始采用两级式结构,与传统的单级结构相比,这种新结构能够减小解耦电容,并具备无功补偿能力。在这种两级结构中,前级的最大功率点跟踪(MPPT)通常采用全桥拓扑,因此可以采用纳芯微的非隔离半桥驱动器NSD1224,该产品具备更强的输入引脚和桥臂中点的耐负压能力,可提高驱动的可靠性;而后级的全桥逆变部分,则可以采用纳芯微新一代隔离半桥驱动NSI6602V,具备更大的驱动电流、更高的输入耐压和更强的抗干扰能力,使用寿命也更加持久。同时,在一些新的设计中,氮化镓器件被用于提高功率密度和系统效率,这时纳芯微的氮化镓专用驱动芯片NSD2621可以充分发挥氮化镓器件的性能。

  二、纳芯微的磁电流传感器产品

在传统的光伏逆变器中有很多霍尔电流传感器模块,主要作用是输入/输出电流检测。纳芯微的霍尔电流传感器比霍尔电流传感器模块体积更小,可减少50%以上的占板面积,高度也更低。NSM201x宽体封装系列可持续通流超过30A,引脚更厚的封装(包括NSM2019和NSM2111等)的输入侧导通阻抗更小(NSM2019只有0.27毫欧),可持续通流高达100A,具备光伏逆变器输入所需的高达20kA的浪涌电流抵抗能力。

事实上,传统集成式霍尔电流传感器无法满足这么高的浪涌电流要求,NSM201x薄体封装也只能支持13kA的浪涌电流抵抗能力,因此较多被用在MPPT侧。而光伏PV侧的电流检测还是使用霍尔电流传感器模块,纳芯微的NSM2019可以替代PV侧的霍尔电流传感器模块,满足浪涌要求,通流能力强,没有可靠性问题。在光伏逆变器AC侧通常使用闭环电流传感器模块,以满足高精度、高通流能力的要求。NSM2019能满足该要求,精度高达正负2%,可持续通流高达100A。

  三、纳芯微其他品类的产品

随着光伏组件功率密度的不断提升,母线电压已提高至1500V,因此需要更大的爬电距离,纳芯微超宽体数字隔离器NSI824x能够提供长达15mm的爬电距离,同时还具备优异的EMC性能,非常适用于光伏系统的应用。同时,光伏组件尺寸也在不断增加,单光伏板能够提供的功率越来越大,因此市面上涌现出更多的微型逆变器,纳芯微的非隔离/隔离半桥驱动,如NSI1624、NSI1224、NSI6602V,能够更好地满足大功率微逆的需求。

此外,随着光伏和储能技术的融合,家庭储能系统的数量不断增加,电池储能容量也在逐渐增加。这为DC-DC转换器提供了更多的机会。纳芯微的半桥驱动器NSI6602V以及CAN接口产品(如NSI1050、NCA1042)在这一趋势下将发挥更加重要的作用。这些产品将能够有效应对不断增长的光储系统需求,为系统集成带来更多的灵活性和可靠性。

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