AMEYA360代理品牌:纳芯微芯片解决方案为光伏市场赋能

发布时间:2023-08-25 13:00
作者:AMEYA360
来源:网络
阅读量:2526

  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。

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  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。

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  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。为应对这一挑战,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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2024-09-19 09:24 阅读量:644
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  01、窄脉宽的来源  驱动芯片在各种电力电子系统中有着广泛的应用,例如整流器、DC-DC变换器、逆变器和变频器等,其工作频率和占空比范围在不同系统中各不相同。  在常规整流器的PFC部分,根据输入电压的范围不同,其下管的占空比可以在0%到100%之间变化;  在常见的DC-DC变换器中,开机时通常会有缓启功能,其输出脉宽会从零开始逐步增大;另外,当输出负载或输入电压发生瞬态跳变时,输出会出现瞬态变化,系统环路会根据输出电压的变化来调整驱动器的输入脉宽,在调整过程中,可能出现极大或极小的输出脉宽;  在桥式逆变器中,当输出电压达到最大或最小峰值时,也可能出现极大和极小的输出脉宽。  图1 正负向窄脉宽  如果这些极大或极小脉宽没有得到有效限制,可能会影响驱动器的稳定工作;严重情况下甚至会导致驱动器或系统失效。  02、正负窄脉宽对驱动芯片的影响  下图2所示,是一种常见的MOSFET驱动电路,虚线框内为一个输出通道的结构示意图,其输出采用PMOS+NMOS结构。驱动器在控制功率管MOSFET M1开通和关断时,会对功率MOSFET M1的栅极拉出和灌入电流。在窄脉宽开通情况下,驱动器收到关断指令会将MOSFET M1关断,此时MOSFET M1的开通过程还没有完成,驱动器的输出仍然维持在较高的电流,当该电流突然变化,在PCB走线寄生电感和驱动器内部寄生电感的共同作用下,会在驱动器的输出引脚产生很大的电压应力,该应力可能导致芯片失效。  为了分析和验证,将MOSFET的门极输入电容采用电容C1来代替,如下图3所示。  考虑到PCB和芯片内部的寄生电感,其等效电路如下图4所示,其中L1、L4和L5为芯片内部寄生电感(Lbonding),L2和L3为PCB上的寄生电感(LPCB)。  ➱下面将对不同脉宽下驱动器的应力产生和影响进行简要介绍。  1)正向窄脉宽的状态分析  t0~t1期间,驱动芯片内部的NMOS M3导通,PMOS M2关断,OUT输出为低,此时驱动回路中的Isrc和Isnk电流均为零;  t1时刻,NMOS M3关断,PMOS M2导通,OUT输出拉高,给负载电容C1充电,Isnk电流为零;  t2时刻,PMOS M2关断,NMOS M3导通,OUT输出被拉低,此时驱动电流Isrc不为零。该电流在芯片内部寄生电感和PCB走线寄生电感的共同作用下,对PMOS M2和NMOS M3的寄生输出电容进行充放电,从而导致OUT出现负向过冲电压。驱动器内部输出Pad的电压应力可以用如下公式(1)进行估算。  其中各参数的定义如下:  VGate: MOSFET的栅极电压  Lbonding:IC内部的键合线产生的寄生电感,通常约为5nH  LPCB:驱动器输出引脚到栅极PCB引线的寄生电感  RG:MOSFET的栅极驱动电阻  2)正常脉宽的状态分析  t0~t1期间,驱动芯片内部NMOS M3导通,PMOS M2关断,OUT输出为低,驱动回路中Isrc和Isnk电流为零;  t1时刻,NMOS M3关断后,PMOS M2导通,OUT输出拉高,负载电容C1充电,当电容C1充满电后,Isrc恢复到0,Isnk电流保持为零;  t2时刻,PMOS M2关断后,NMOS M3开通,OUT输出被拉低,负载电容C1放电,当电容C1放电结束后,Isnk电流恢复到零;  OUT输出转换过程中,lsrc或Isnk都是由零上升或下降到峰值,然后恢复到零,OUT输出没有明显的正向或负向过冲电压。  3)负向窄脉宽的状态分析  t0~t1期间,驱动芯片内部PMOS M2导通,NMOS M3关断,OUT输出为高,驱动回路中Isrc和Isnk电流为零;  t1时刻,NMOS M3导通,OUT输出拉低,负载电容C1放电;  t2时刻,NMOS M3关断,PMOS3开通,OUT输出被拉高,此时驱动回路中电流Isnk不为零,该电流在芯片内部的寄生电感和PCB走线的寄生电感的共同作用下,对PMOS M2和NMOS M3的寄生输出电容进行充放电,导致OUT输出出现显著的正向过冲电压。  实际电路验证  为了验证窄脉宽的影响,本实验选择了一款最大额定电压为20V的驱动芯片,并按照上图3所示的实验电路进行测试。  实验中,芯片供电电压设置为15V,负载电容C1为27nF,输入信号频率为100kHz,脉冲宽度分别为20ns、2μs和9.98μs(对应20ns负向窄脉宽)。  在相同脉宽下,通过调整驱动电阻R1的大小,来改变开通和关断时的驱动电流和电流变化率,得到实验结果如下所示,图中黄色线条表示输入信号,绿色线条表示输出信号。  表2 实际电路验证结果  如上结果所示,当驱动电阻为1Ω时,20ns的正向窄脉宽会导致-9V的负向过冲;同样,20ns的负向脉宽会导致27.4V的正向过冲,超过了芯片的额定值,会存在失效风险。正常脉宽下,OUT输出没有正负过冲现象。此外,还可以看出,在相同脉宽输入时,驱动电流越大,输出脚的正向或负向电压应力越高;因此减小驱动电流可以有效减小窄脉宽产生的正负过冲电压。  03、解决方案和建议  通过上面的分析和验证可以看出窄脉宽下过大的驱动电流会对输出应力产生严重影响。系统应用中为了避免驱动器输出应力超标,建议客户从以下几个方面进行优化和解决。  PCB布局时尽量将驱动器与功率管就近放置,减小驱动器输出引脚到功率管门极之间的走线电感。  驱动器的供电电容尽可能靠近芯片的电源引脚,且同层放置,减小因过孔和走线产生的寄生电感。  在系统应用中,对最大和最小驱动输出脉宽进行限制,确保开通和关断前一刻驱动输出电流已降为零,避免输出出现过大的正向或负向过冲电压。  适当调整驱动电阻,减小窄脉宽驱动回路中的电流和电流变化率。
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