Aplicaciones

La energía solar es la fuente de energía renovable más limpia y abundante disponible. Los dispositivos que convierten la energía solar en electricidad son las celdas o paneles fotovoltaicos (PV). El desarrollo intensivo y la producción a gran escala de paneles solares comenzaron desde este nuevo milenio. La capacidad global de PV solar alcanzó los 494.3GW en 2018 y se espera que crezca más de 1 TW entre 2019 y 2030 (Fuente: Base de Datos GlobalData Power). La mayor parte del aumento de la capacidad durante este período se estima que provendrá de China, India y otros países de Asia-Pacífico. Con el rápido crecimiento de la capacidad instalada y el avance tecnológico, el costo promedio de capital para establecer una planta PV solar ha disminuido significativamente, pero aún varía considerablemente de un país a otro. La reducción en los costos de producción y los planes gubernamentales están resultando en una disminución del precio promedio del sistema de PV solar. El costo promedio global de capital de las plantas PV solares fue de $4,162/desde kilovatio (KW) en 2010, reduciéndose a $1,240/kW en 2018, y se estima que caerá aún más según las estimaciones de costos en varios países, alcanzando $997 para 2030. La figura a continuación muestra la tendencia del precio promedio del sistema de PV solar global y de los cinco principales países de PV solar entre 2010 y 2018.

Mercado de PV Solar, costo promedio de los países clave y global ($/KW), 2010-2018 (Fuente: GlobalData)

Para mantenerse competitivos, los fabricantes de PV y sistemas eléctricos buscan continuamente nuevas tecnologías. La eficiencia de conversión de potencia, el peso/tamaño del inversor y el costo de los materiales son todos aspectos que un diseño debe considerar. Los niveles de potencia y voltaje de los convertidores solares varían según las aplicaciones. Las aplicaciones residenciales suelen ser inferiores a 10 kW, y las comerciales comúnmente oscilan entre 10 kW y 70 kW. Las plantas de energía a gran escala superan los 70 kW. Actualmente, la mayoría de las plantas de energía aún utilizan una tensión máxima de barril de 1000V, pero los grandes parques solares desarrollados más recientemente han comenzado a aumentar la tensión PV a 1500V desde 1000V. Una mayor tensión puede reducir las pérdidas de semiconductor y cobre y mejorar aún más la eficiencia del sistema de potencia. Para una tensión de barril de 1500V, las topologías de boost y de inversor de 3 niveles se convierten en la única solución válida con dispositivos de conmutación de 1200V.

Los diodos de SiC se han utilizado ampliamente en el diseño del convertidor de elevación de PV, y los MOSFETs de SiC se han empleado en el desarrollo de muchos inversores de alto rendimiento. A continuación se presentan dos ejemplos de topología utilizados en el diseño del inversor de PV.

Inversor de 60kW con solución de MOSFET de SiC TO-247

Inversor de 1500V 150kW con solución de MOSFET de SiC TO-247 y módulo de SiC IV1E IVCT ha desarrollado un convertidor de elevación intercalado de 20kW para demostrar el rendimiento de los diodos y MOSFETs de SiC. El convertidor utiliza cuatro MOSFETs IV1Q12080T4 de 80mOhm 1200V y cuatro diodos IV1D12010T3 de 10A 1200V. A 65kHz, el convertidor alcanza una eficiencia del 99.4% con una entrada de 600V y una salida de 800V. Los MOSFETs son accionados por el controlador de MOSFET de SiC IVCR1401. Las formas de onda a continuación muestran bordes limpios de subida y bajada de Vds.