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    光伏增長勢頭強勁,芯片靈活性及可靠性要求提升

    近年來,光伏市場進入了一個新的增長維度。SolarPower Europe數據顯示,2022年全球光伏新增裝機量達239GW,占所有可再生能源新增容量的三分之二。國家能源局也宣稱,2022年我國工商業光伏新增裝機達25.87GW,同比增長236.7%;2023年一季度工商業光伏新增裝機9.21GW,刷新了年度記錄。據悉,從新增裝機量可以看出,目前中國是光伏裝機最大增量市場。

    國際能源署(IEA)也有類似的預測:2023年光伏投資將首次超過石油投資,不過,盡管光伏在持續增長,光伏仍只占全球發電量的4.5%,其強勁增長將持續到2023年及以后。

    在細分市場,近年來屋頂光伏市場出現了明顯繁榮。2022年,中國增加了51.1GW屋頂光伏,占新增總量的54%,較2021年增長29GW。

    事實上,半導體技術的創新一直在助力深挖光伏應用的巨大潛力。除了單晶硅和多晶硅材料外,在光儲一體化設計方面,碳化硅(SiC)等寬禁帶器件和驅動類產品正在推進功率密度不斷提升,系統成本進一步降低,同時實現更多的功能。

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    技術迭代助推光伏度電成本持續降低。從發展趨勢來看,光伏系統的進展呈現出五大特點:

    1)采用大尺寸、高效率光伏組件,如182/210mm大尺寸硅片;材料方面使用TOPCon(隧穿氧化層鈍化接觸)、HJT(異質結)、鈣鈦礦等電池結構,將光能轉換效率從目前主流光伏電池的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變器,如300kW+組串式逆變器,以及4MW+集中/集散式逆變器,以實現最高的功率密度,使用戶利益最大化。

    3)采用更大容量、更高容配比的組網方陣,如1.2~1.8倍高容配比的4MW+、6MW+、12MW+,減少直流電纜、支架及基礎、匯流箱用量,簡化安裝工程,為電站投資者帶來更低造價成本和更高系統收益。

    4)光伏發電與信息技術的完美融合,采用物聯網(IoT)、人工智能(AI)、大數據等技術的信息化“智能光伏”電站,利用智慧大腦實現對光伏電站的集中運營和運維管理。

    5)光儲融合:目前逆變系統與儲能系統已開始智能化深度融合,而光儲一體化設計有助于進一步降低系統成本,使運行更穩定,調度響應更精準。利用高比例新能源接入實現直流側光儲一體化、交流側獨立儲能,從而支持穩定并網,讓光伏發電從適應電網走向支撐電網,加速光伏成為主力能源。

    納芯微光儲解決方案為可靠性保駕護航

    作為一家高性能、高可靠性模擬及混合信號芯片公司,納芯微將光伏作為其能源與電源業務的一個重要領域,解決方案覆蓋光伏逆變器、儲能變流器、光伏陣列/優化器和儲能電池/BMS。日前,納芯微已經與光伏行業的頭部客戶緊密合作,提供可靠的產品及服務。

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    圖:納芯微光儲系統解決方案總覽

    納芯微的產品覆蓋廣泛,包括:SiC功率半導體、隔離/非隔離驅動芯片、隔離電流/電壓采樣芯片、霍爾電流傳感器、數字隔離器、隔離接口芯片、通用Buck/LDO/電源監控IC、通用運算放大器、高精度電壓基準源、溫濕度傳感器/壓力傳感器等。

    一、納芯微的SiC+驅動類產品組合

    1)第三代半導體SiC器件,有效提高系統效率

    SiC功率器件具有高耐壓、高速開關、低導通電壓和高效率等特性,有助于降低能耗并縮小系統尺寸。特別是在光伏、儲能、充電樁等高壓大功率應用中,碳化硅材料的優勢得以更加凸顯,光伏頭部廠商已經開始在儲能及組串MPPT(最大功率點跟蹤)應用中采用第三代半導體器件。目前,SiC二極管在光伏行業也已經得到了成熟的應用。

    為此,納芯微推出了1200V系列SiC二極管產品。這些器件在單相或三相PFC、隔離或非隔離型DC-DC電路中均能表現出卓越的效率特性,完美滿足中高壓系統需求。如果將納芯微的SiC產品和驅動類產品搭配使用,可以更好地滿足客戶系統個性化的需求。

    2)光耦兼容的隔離驅動,更強抗干擾能力,確保系統穩定運行

    光伏領域對可靠性有著極高的要求,產品壽命要求長達20年甚至更長,然而使用傳統的光耦技術已經無法滿足這一需求。納芯微的單通道隔離驅動NSI6801能夠很好地應對這一挑戰,該系列產品也是目前納芯微在光伏市場應用最廣泛、出貨量最大的驅動產品。NSI6801采用雙電容增強隔離技術,兼容光耦輸入,提供更強的隔離性能,CMTI大于150kV/us,有效提高了產品的抗干擾能力,使用壽命更長,使用溫度范圍更寬,開關頻率更快,能夠更好地適配SiC器件,穩定可靠運行。

    3)具備多種保護功能的驅動芯片,滿足大功率模塊的嚴格要求

    此外,在大功率應用中,不再只采用單顆功率器件,而是更傾向于采用功率模塊。這些大功率模塊對可靠性要求更加嚴格,因為驅動IC的失效會對整個系統造成影響。為滿足這一挑戰,納芯微能夠提供多種具備保護功能的驅動IC,如退飽和保護(Desat)、主動短路保護(ASC)、米勒鉗位功能,產品包括單管隔離驅動NSI6601M、NSI6801M、NSI68515、NSI6611等。

    4)更多隔離/非隔離驅動供選擇,滿足系統設計新需求

    此外,新一代微型逆變器也逐漸開始采用兩級式結構,與傳統的單級結構相比,這種新結構能夠減小解耦電容,并具備無功補償能力。在這種兩級結構中,前級的最大功率點跟蹤(MPPT)通常采用全橋拓撲,因此可以采用納芯微的非隔離半橋驅動器NSD1224,該產品具備更強的輸入引腳和橋臂中點的耐負壓能力,可提高驅動的可靠性;而后級的全橋逆變部分,則可以采用納芯微新一代隔離半橋驅動NSI6602V,具備更大的驅動電流、更高的輸入耐壓和更強的抗干擾能力,使用壽命也更加持久。同時,在一些新的設計中,氮化鎵器件被用于提高功率密度和系統效率,這時納芯微的氮化鎵專用驅動芯片NSD2621可以充分發揮氮化鎵器件的性能。

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    二、納芯微的磁電流傳感器產品

    在傳統的光伏逆變器中有很多霍爾電流傳感器模塊,主要作用是輸入/輸出電流檢測。納芯微的霍爾電流傳感器比霍爾電流傳感器模塊體積更小,可減少50%以上的占板面積,高度也更低。NSM201x寬體封裝系列可持續通流超過30A,引腳更厚的封裝(包括NSM2019和NSM2111等)的輸入側導通阻抗更?。∟SM2019只有0.27毫歐),可持續通流高達100A,具備光伏逆變器輸入所需的高達20kA的浪涌電流抵抗能力。

    事實上,傳統集成式霍爾電流傳感器無法滿足這么高的浪涌電流要求,NSM201x薄體封裝也只能支持13kA的浪涌電流抵抗能力,因此較多被用在MPPT側。而光伏PV側的電流檢測還是使用霍爾電流傳感器模塊,納芯微的NSM2019可以替代PV側的霍爾電流傳感器模塊,滿足浪涌要求,通流能力強,沒有可靠性問題。在光伏逆變器AC側通常使用閉環電流傳感器模塊,以滿足高精度、高通流能力的要求。NSM2019能滿足該要求,精度高達正負2%,可持續通流高達100A。

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    三、納芯微其他品類的產品

    隨著光伏組件功率密度的不斷提升,母線電壓已提高至1500V,因此需要更大的爬電距離,納芯微超寬體數字隔離器NSI824x能夠提供長達15mm的爬電距離,同時還具備優異的EMC性能,非常適用于光伏系統的應用。同時,光伏組件尺寸也在不斷增加,單光伏板能夠提供的功率越來越大,因此市面上涌現出更多的微型逆變器,納芯微的非隔離/隔離半橋驅動,如NSI1624、NSI1224、NSI6602V,能夠更好地滿足大功率微逆的需求。

    此外,隨著光伏和儲能技術的融合,家庭儲能系統的數量不斷增加,電池儲能容量也在逐漸增加。這為DC-DC轉換器提供了更多的機會。納芯微的半橋驅動器NSI6602V以及CAN接口產品(如NSI1050、NCA1042)在這一趨勢下將發揮更加重要的作用。這些產品將能夠有效應對不斷增長的光儲系統需求,為系統集成帶來更多的靈活性和可靠性。

     

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