Soluzioni di accumulo di energia residenziale per migliorare l'efficienza energetica

Le Soluzioni di Accumulo Energetico Residenziale (ESS) non sono applicate solo in contesti industriali e di generazione di energia, ma sono diventate anche fondamentali nel settore residenziale, riflettendo le attuali applicazioni e tendenze di mercato. Sebbene le soluzioni ESS residenziali richiedano una potenza inferiore, le esigenze di efficienza e sicurezza rimangono comparabili a quelle delle applicazioni industriali. Questo articolo vi introdurrà alle tendenze di mercato delle soluzioni ESS residenziali e alle caratteristiche funzionali delle soluzioni relative al SiC introdotte da Arrow e Rohm.

Applicazioni ESS residenziali per lo stoccaggio e la gestione dell'energia elettrica

ESS residenziale è una soluzione di accumulo di energia progettata per l'uso in contesti residenziali. Il suo scopo è quello di immagazzinare e gestire l'energia elettrica, con l'obiettivo di migliorare l'efficienza energetica, ridurre i costi energetici e aumentare la stabilità della fornitura di energia. Le applicazioni di ESS residenziale tipicamente coinvolgono sistemi di generazione di energia solare (sistemi fotovoltaici), in cui i pannelli fotovoltaici solari vengono comunemente installati sui tetti o in altre posizioni idonee per convertire la luce solare in energia elettrica in corrente continua (DC).   ESS richiede anche un controller di carica, responsabile del monitoraggio dell'output del sistema di generazione di energia solare e del controllo del flusso di energia elettrica verso il sistema di accumulo. Il controller garantisce che l'energia elettrica generata dall'impianto solare venga immagazzinata nella batteria. La batteria rappresenta il componente principale dell'ESS, utilizzata per conservare l'energia elettrica generata dal solare durante il giorno e distribuirla durante la notte o nei giorni nuvolosi. Le tecnologie delle batterie comunemente utilizzate includono le batterie al Litio-ione (Li-ion) e le batterie al piombo-acido.   ESS richiede anche un inverter per convertire la corrente continua (DC) immagazzinata nella batteria in corrente alternata (AC) per alimentare gli elettrodomestici e l'illuminazione della casa. Inoltre, un sistema di gestione dell'energia (EMS) viene utilizzato per monitorare il consumo energetico domestico, le previsioni meteo, i prezzi dell'elettricità e altre informazioni. Questo sistema ottimizza l'uso e l'accumulo dell'energia, controllando automaticamente i processi di carica e scarica per garantire l'efficienza energetica ottimale.   ESS residenziale può essere collegato anche alla rete elettrica, permettendo alle famiglie di acquistare energia quando necessario o di vendere l'energia in eccesso alla rete quando ce n’è abbondanza. Questo flusso bidirezionale di energia è noto come "misurazione bidirezionale". Grazie ai sistemi di monitoraggio, i proprietari possono controllare lo stato operativo in tempo reale del sistema energetico, monitorare la generazione e il consumo di energia e fare regolazioni operative a distanza. Questo include la modifica della modalità operativa del sistema di accumulo di energia o l'impostazione dei tempi di carica e scarica.   L'architettura dell'ESS residenziale può essere adattata in base a requisiti e tecnologie specifiche per garantire prestazioni e efficienza ottimali. Questo sistema contribuisce a raggiungere l'autosufficienza energetica, il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni. Inoltre, fornisce una fonte di energia di backup in caso di interruzioni della rete.   Le esigenze per le applicazioni ESS residenziali differiscono da quelle industriali, principalmente per la minore richiesta di potenza dell'ESS residenziale, che tipicamente richiede una potenza inferiore a 10 kW. Deve supportare la conversione bidirezionale dell'energia e spesso utilizza topologie AC/DC ad alta efficienza con caratteristiche di elevata compatibilità elettromagnetica, insieme a topologie DC/DC ad alta efficienza e di specificazione elevata in termini di sicurezza. ESS residenziale deve supportare una vasta gamma di tensioni del bus (da 360V a 550V) e solitamente posiziona la batteria sul lato DC. L'efficienza del sistema deve generalmente superare il 90%, e la stabilità affidabile del sistema è essenziale. Si pone enfasi sull'ottenimento di alta densità di potenza per soddisfare gli obiettivi di riduzione delle dimensioni e del peso. Inoltre, la riduzione dei costi è una considerazione chiave, e vi sono elevate esigenze per gli standard di sicurezza, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e le caratteristiche di rumore.

I dispositivi SiC offrono prestazioni superiori rispetto ai dispositivi al silicio

Per soddisfare i requisiti sopra menzionati, è comune utilizzare il Carburo di Silicio (SiC) per la conversione di potenza. Questo perché i dispositivi SiC offrono vantaggi significativi, migliorando l'efficienza del sistema in condizioni di alta corrente e alta temperatura. L'elevata resistenza alla rottura del materiale SiC consente ai dispositivi SiC di operare a tensioni più elevate, offrendo una maggiore tolleranza alla tensione rispetto ai dispositivi al silicio. Questo rende i dispositivi SiC particolarmente utili nelle applicazioni di conversione di potenza.   Inoltre, i dispositivi SiC mostrano una mobilità elettronica superiore, rendendoli più performanti nelle applicazioni ad alta frequenza. Per applicazioni come convertitori ad alta frequenza e amplificatori di potenza, i dispositivi SiC offrono migliori prestazioni. La conduttività termica del SiC è tre volte quella dei dispositivi al silicio, consentendo dimensioni e peso ridotti, aumentando così la densità di potenza e ottimizzando i costi del sistema. Con una riduzione del costo per unità volumetrica, l'energia può essere convertita bidirezionalmente in modo sicuro e affidabile. Questo permette di raggiungere obiettivi come la riduzione del volume del 50% e l'abbassamento del costo per unità di watt, implicando che, per lo stesso livello di potenza, i dispositivi SiC presentano un volume più piccolo e un peso più leggero.   Il materiale SiC è chimicamente stabile, mostrando una minima suscettibilità alla corrosione da parte di sostanze corrosive. Questa proprietà rende i dispositivi SiC più adatti alle applicazioni in ambienti estremi. L'alta mobilità dei portatori di carica nei dispositivi SiC si traduce in velocità di commutazione più elevate. Questo è vantaggioso per ridurre le perdite di commutazione, migliorare l'efficienza di conversione e ottimizzare le caratteristiche dinamiche dei dispositivi.   L'adozione di soluzioni di accumulo energetico basate su SiC consente dimensioni del prodotto più piccole e peso ridotto. Permette frequenze di commutazione più elevate e, grazie all'utilizzo di dispositivi magnetici più piccoli, è possibile impiegare trasformatori/induttori più compatti. Questo si traduce in minori perdite e una migliore dissipazione del calore. La stessa potenza può essere contenuta in un involucro più piccolo rispetto agli IGBT al silicio. Rispetto agli IGBT al silicio, il SiC offre una densità di potenza (W/kg) doppia, raggiungendo un'elevata densità di potenza. Può sfruttare semplici topologie di convertitori bidirezionali con meno controlli di loop, ottenendo maggiore efficienza.   I dispositivi SiC presentano una minore resistenza nello stato on per unità di volume, riducendo le perdite di conduzione. Essi mostrano basse perdite nello stato on durante lo spegnimento, eliminando il fenomeno del rimanere della corrente, portando a basse perdite di commutazione. Le perdite di ricupero del diodo intrinseco sono molto ridotte e i dispositivi SiC consentono una riduzione della distinta base (BOM). Il sistema risulta robusto, durevole e offre maggiore affidabilità.   Prendendo l'esempio di un progetto high-side DC-DC con una tensione del busbar di 500V, si può utilizzare una combinazione di SiC da 1200V e IGBT nel lato ad alta tensione. La tensione di pilotaggio è di 15V/-2.5V e la frequenza di commutazione è di 30kHz. Dall'altro lato del circuito, SiC da 650V e IGBT possono essere impiegati con una tensione di pilotaggio di 15V/-2.5V e una frequenza di commutazione di 76kHz. L'efficienza è maggiore quando si utilizzano dispositivi SiC nel lato ad alta tensione. I dispositivi di potenza SiC funzionano con una tensione di pilotaggio di 15V e sono compatibili con le soluzioni a dispositivi di potenza IGBT.

Sfide di progettazione e soluzioni per convertitori di potenza DC/DC bidirezionali

Quando si progettano convertitori di potenza DC/DC bidirezionali per ESS (Energy Storage Systems), ci sono numerose sfide da affrontare. Ad esempio, in modalità di scarica, è cruciale risolvere il funzionamento in stato stazionario e lo stress del Vds del MOS sul lato basso in condizioni di assenza di carico. Una soluzione consiste nell’aumentare l’induttanza a 200µH sul lato primario del trasformatore. Questo approccio può ridurre lo stress di tensione del 25% e migliorare l’efficienza dal 6% al 7%.   Inoltre, è necessario affrontare i problemi di stress del Vds durante la modalità di scarica e l’avvio. La soluzione è utilizzare un controllo ibrido PWM+PFM sulla porta di ingresso. Questo può ridurre lo stress di tensione del 27%, con Vmax che raggiunge 124V a 80V. Analogamente, in modalità di scarica, possono verificarsi problemi con temperature eccessivamente elevate (96°C@2100W) nel condensatore risonante. Cambiare il modello del condensatore con mkp21224/400VDC può abbassare la temperatura del condensatore risonante a 65°C@3000W.

D'altra parte, in modalità di scarica, la frequenza operativa può cambiare improvvisamente intorno a 180kHz, causando instabilità nella curva di guadagno. Per risolvere questo problema, il punto di frequenza a tempo di conduzione fisso di SRMOS può essere regolato a un valore inferiore a 180kHz, garantendo stabilità nella curva di guadagno.

I prodotti MOSFET SiC soddisfano i requisiti per i progetti DC-DC

Il design di riferimento isolato bidirezionale DC-DC ad alta frequenza da 6600V a 48V, supportato da Shenzhen Winchen Electronics e Arrow, offre un esempio. Nella sezione di carica, supporta un intervallo di carica del bus DC da 380-480 VDC, corrente di carica ≤16A, tensione di uscita di 40-60 VDC, corrente di uscita ≤140A, e una potenza massima di uscita di 6,6 kW. L'efficienza di carica può raggiungere il 95% a 420V, e il coefficiente di ondulazione della corrente di carica è dell'1%. Nella sezione di scarica, l'intervallo di tensione lato batteria è 40-60 VDC, corrente lato batteria ≤140A, intervallo di tensione del bus DC da 380-480 VDC, la potenza massima di uscita è 6,6 kW, l'efficienza di scarica può raggiungere il 94% a 54V, e il coefficiente di ondulazione della tensione del bus è dell'1%.   In questo design di riferimento, senza il regolatore Buck_Boost, l'intervallo di funzionamento sul lato a bassa tensione è 43V-57V, l'intervallo di funzionamento a piena potenza è 49V-57V, la corrente di uscita stabile massima è 142A, e la corrente di uscita massima a breve termine è 150A (Vin = 420V, carico resistivo). Con il regolatore Buck_Boost, l'intervallo di funzionamento sul lato a bassa tensione è 43V-57V, l'intervallo di funzionamento a piena potenza è 49V-60V, la corrente di uscita stabile massima è 145A, e la corrente di uscita massima a breve termine è 150A (Vin = 420V, carico resistivo). Questo design di riferimento utilizza 8 pezzi di MOSFET SiC SCT3030AR di Rohm con package TO-247, insieme al gate driver BM61S41RFV-C e al MOSFET di potenza RJ1P12BBDTLL.   Il MOSFET SiC SCT3030AR di Rohm è un dispositivo Nch da 650V confezionato con 4 pin, ideale per applicazioni che richiedono alta efficienza come server, inverter per impianti solari e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Presenta una struttura a gate a trincea e dispone di un pin di sorgente di alimentazione separato e un pin sorgente del driver in una confezione a 4 pin, massimizzando le prestazioni di commutazione ad alta velocità, migliorando in particolare la perdita di conduzione. Rispetto alle confezioni tradizionali a 3 pin (TO-247N), le perdite totali di conduzione e commutazione possono essere ridotte di circa il 35%.   Il modello SCT3030AR di Rohm è caratterizzato da una bassa resistenza di conduzione, alta velocità di commutazione, rapido recupero inverso, facilità di connessione parallela e semplicità di guida. È confezionato con placcatura senza piombo, conforme agli standard RoHS, rendendolo adatto per una vasta gamma di applicazioni tra cui inverter per impianti solari, convertitori DC/DC, alimentatori a modalità commutata, riscaldamento a induzione e sistemi di controllo dei motori.   Il BM61S41RFV-C è un gate driver con una tensione di isolamento di 3750 Vrms, una tensione massima di pilotaggio del gate di 24V, un tempo di ritardo massimo I/O di 65 ns, una larghezza minima dell'impulso di ingresso di 60 ns e una corrente di uscita di 4A. È dotato di funzioni di blocco per sottotensione (UVLO) e di una clamp attiva di Miller, è conforme agli standard AEC-Q100 ed è confezionato in SSOP-B10W. L'RJ1P12BBD è un MOSFET di potenza Nch da 100V 120A con bassa resistenza di conduzione, alta potenza in un package di piccole dimensioni. Utilizza placcatura senza piombo, è conforme agli standard RoHS, privo di alogeni e ha superato i test UIS.

Conclusione

Con l'attenzione crescente della comunità internazionale verso l'energia verde, si sta assistendo al rapido sviluppo delle applicazioni ESS residenziali. Queste applicazioni prevedono un numero significativo di componenti elettronici e soluzioni, rappresentando una vasta opportunità di mercato. Arrow può supportare i clienti nello sviluppo di soluzioni DC-DC per le applicazioni ESS. I MOSFET SiC di Rohm e i relativi prodotti sono in grado di soddisfare i requisiti applicativi per DC-DC. Per ulteriori informazioni dettagliate, si prega di contattare direttamente Arrow.