Een stralende toekomst voor

Een stralende toekomst voor
duurzame
energie
IGBT IGBT
Q1
Q2
DC-voeding
(zonne-energieomvormer,
batterij)
Het behoud
van ons
milieu staat
wereldwijd hoog op de agenda en als onderdeel van
de algemene behoefte aan meer efficiëntie groeit
de vraag naar alternatieve vormen van duurzame
energie. Eén van de meest veelbelovende en meest
opvallende technologieën is zonne-energie die wordt
gewonnen uit fotovoltaïsche cellen. Er zijn diverse
voorbeelden te vinden van hoe fotovoltaïsche energie
kan worden toegepast, van draagbare telefoonladers
tot reeksen zonnecelpanelen op de daken van huizen
die voldoende energie genereren om in de behoeften
van een gezin of klein bedrijf te voorzien.
Deze laatste staan op dit moment onder grote
belangstelling, omdat efficiënte installaties
surplusenergie kunnen genereren die onder de
juiste omstandigheden kan worden teruggevoerd
naar het hoogspanningsnet, waardoor ze niet alleen
een vorm van duurzame energie leveren aan de
eigenaar, maar ook een bescheiden rendement
op hun investering opleveren. Naast de grote
belangstelling wordt er echter ook gediscussieerd,
omdat het toepassen van fotovoltaïsche technologie
onderhevig is aan verliezen op diverse plaatsen in
de energieproductieketen. Wat betreft de oplossing
voor dit probleem staan producenten binnen de hele
energieketen lijnrecht tegenover elkaar wat betreft
de vraag welk systeem het beste geïmplementeerd
kan worden.
De stroom die wordt gegenereerd door
reeksen zonnepanelen is gelijkstroom. Wanneer
fotovoltaïsche technologie wordt toegepast voor het
genereren van wisselstroom voor het lichtnet is er
dus een DC-AC-omvormer nodig. De grote vraag
hierbij is hoe de omvormertechnologie het beste kan
worden geïmplementeerd: centraal of decentraal?
Bij een decentrale benadering (die steeds meer
de voorkeur krijgt boven de meer traditionele
gecentraliseerde vorm) wordt een speciale
omvormer dicht bij iedere uitgang van een
zonnepaneel geplaatst. Het belangrijkste voordeel
van deze benadering is dat de prestaties van de
afzonderlijke cellen de algehele prestaties van het
systeem niet nadelig kunnen beïnvloeden, wat
het grootste kritiekpunt op de gecentraliseerde
benadering is. Hoewel het gebruik van meerdere
omvormers zorgt voor hogere kosten argumenteren
16
eTech - NUMMER 2
AC-uit
L1
C2
voorstanders van de gedecentraliseerde benadering
dat de verhoogde efficiëntie, gekoppeld aan de
hogere betrouwbaarheid van het systeem door
de afwezigheid van een 'single point of failure'
zwaarder weegt dan de hogere eenheidsprijs
over de levensduur van het systeem. Zowel
de gecentraliseerde als de gedecentraliseerde
topologieën hebben hun voordelen, maar ze hebben
één ding gemeen: de behoefte aan een efficiënte
omvormertechnologie. Zonder een efficiënte
omvormer kunnen alle positieve resultaten uit het
verbeteren van de prestaties van het systeem
tevergeefs zijn. De eisen die aan de omvormer(s)
worden gesteld verschillen echter afhankelijk van
de topologie, waarbij de technologie binnenin de
omvormer een belangrijke rol speelt.
De ingangsspanning naar de omvormer hangt
af van de gekozen topologie en de efficiëntie
van de omvormer hangt op zijn beurt weer af
van het ontwerp daarvan, gebaseerd op de
systeemvereisten. Het is algemeen bekend
dat bipolaire transistoren met geïsoleerde gate,
otewel IGBT’s, de meeste voordelen hebben
voor dit type omvormer. Deze apparaten bieden
de beste veldeffecttransistor- (FET) en bipolaire
junctietransistor- (BJT) technologieën in één
apparaat. Hierdoor kunnen ze worden aangestuurd
door een elektrische spanning, net als bij MOSFET,
maar bieden hogere stroomdoorvoercapaciteiten
dan BJT’s. Als gevolg daarvan is het gebruik hiervan
in de energievoorziening snel gestegen en hoewel
er nu een breed scala aan IGBT’s beschikbaar is,
is ook duidelijk geworden dat één standaardmaat
niet geschikt is voor alle toepassingen. Dit blijkt niet
alleen uit de verschillen tussen omvormers met een
gecentraliseerde of gedecentraliseerde topologie,
maar ook in de optimale keuze voor IGBT’s binnenin
deze omvormers.
Om de sinusvorm van wisselstroom te kunnen
genereren, loopt de gelijkstroom vanuit een zonnecel
of batterij door een brugschakelingsomvormer, zoals
wordt weergegeven in figuur 1. Hiervoor zijn vier
hoogspannings-IGBT’s vereist: de transistors Q1
en Q2 (ook wel de ‘high-side’ genoemd), en Q3 en
Q4 (ook de ‘low-side’ genoemd). Eén manier om de
sinusvorm van wisselstroom te genereren is met
pulsduurmodulatie van de high-side-transistoren, bij
C1
L2
IGBT IGBT
Q3
Q4
De mogelijkheden voor fotovoltaïsche
zonne-energie zijn enorm, maar ze
vereisen zorgvuldig ontwerp om
maximale efficiëntie te kunnen realiseren.
High-side
IGBT's
AC-uit
Low-side
IGBT's
Fig.1 De omvormer voor zonne-energie
combineert hoogspannings-IGBT’s met een
brugschakelingstopologie
20kHz, en de low-side-IGBT’s om te schakelen naar
de gewenste hoogspanningsfrequentie (normaal
gesproken 50 of 60Hz). Dit houdt in dat Q1 tijdens
de positieve periode pulsduurgemoduleerd wordt bij
20kHz terwijl Q4 ingeschakeld blijft (Q2 en Q4 zijn
uitgeschakeld) en Q2 tijdens de negatieve periode
op dezelfde manier wordt gemoduleerd en Q3
ingeschakeld blijft (Q1 en Q4 zijn uitgeschakeld).
Uiteraard zijn de kenmerken van de high-side- en
low-side-IGBT’s op basis van deze architectuur
verschillend, zodat het van belang is deze apparaten
aan te schaffen bij een leverancier die inzicht heeft in
deze vereisten.
Het assortiment van IGBT’s en MOSFET’s van
International Rectifier’s (IR) voorziet in dit scenario,
zoals weergegeven in figuur 1. Voor de high-sideIGBT’s is de schakeltijd essentieel, daardoor
kan het kiezen van een snel schakelende IGBT
de schakelverliezen minimaliseren. Een nieuwe
serie IGBT’s die recentelijk door IR op de markt is
gebracht, de 600V Trench IGBT’s, is geoptimaliseerd
voor high-side-schakelen bij 20kHz en is gericht op
omvormers die worden gebruikt in UPS-systemen
en zonnepanelen. Het gebruik van deze apparaten
kan zelfs zorgen voor een efficiëntieverhoging van
30%.
De low-side-apparaten hoeven niet te worden
geoptimaliseerd voor schakelsnelheid. In deze
toepassing worden IGBT’s met standaardsnelheid
aanbevolen, gemaakt met een planaire techniek,
in tegenstelling tot de trench-apparaten die voor
de high-side worden gebruikt. Deze apparaten
zijn geoptimaliseerd voor lage snelheden en lage
geleidingsverliezen en zijn daarom de meest
efficiënte oplossing.
Het gebruik van fotovoltaïsche zonnepanelen neemt
snel toe, maar de technologie staat nog steeds open
voor verbeteringen in de efficiëntie. De ontwikkeling
van efficiëntere omvormers vormt een essentiële
stap in de verbetering van de fotovoltaïsche
technologie, maar ook van andere vormen van
duurzame energie.
Voor meer informatie over IR’s
portfolio van IGBT’s en MOSFET’s
voor fotovoltaïsche toepassingen
gaat u naar RS Online.
eTech - NUMMER 2
17