Alors que l’adoption des systèmes photovoltaïques se poursuit, la pression exercée sur les fabricants stimule l’innovation et l’adoption de nouvelles technologies pour réduire les coûts sans compromettre la fiabilité.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Il existe deux configurations principales pour les systèmes photovoltaïques commerciaux et résidentiels à faible puissance. La première configuration est l’inverseur micro, qui utilise un inverseur pour chaque panneau de l’installation, garantissant que chaque panneau peut fournir son plein potentiel énergétique. La seconde est l’inverseur de chaîne, qui connecte plusieurs panneaux ensemble et les alimente vers un inverseur central. Cependant, cette configuration souffre de mauvaises performances de récupération d’énergie lorsque un ou plusieurs panneaux sont ombragés.
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Une augmentation innovante a été introduite sous la forme d’optimisateurs ; des modules de puissance qui optimisent la récupération d’énergie pour chaque panneau. Ces optimisateurs sont apparus pour rivaliser avec la capacité de récupération d’énergie des micro-inverseurs. Le principal inconvénient des micro-inverseurs a été leur coût en raison de la nécessité d’un convertisseur AC dans chaque module de puissance. Les optimisateurs peuvent améliorer l’équation des coûts car leur structure est significativement plus simple, et ils sont compatibles avec les inverseurs de chaîne existants.
Cet article présente un aperçu de la manière dont les optimisateurs photovoltaïques fonctionnent et comment les convertisseurs peuvent bénéficier de nouvelles technologies telles que les FET en GaN (eGaN FETs). Les FET en GaN ont démontré des performances supérieures dans de nombreuses applications à commutation rapide. Leur grande fiabilité en fait des candidats idéaux pour les optimisateurs. De plus, les FET en GaN permettent de réduire la taille des convertisseurs, contribuant ainsi à la réduction des coûts.
Aperçu de la récupération d’énergie par les inverseurs de chaîne
Une configuration courante pour un système photovoltaïque est le système d’inverseur de chaîne, comme le montre la Figure 1. Dans ce système, les sorties DC de plusieurs panneaux PV sont câblées en série et alimentées vers un inverseur de chaîne central. L’inverseur de chaîne convertit ensuite cette tension DC en courant AC, qui est injecté dans le réseau. Le graphique supérieur de la Figure 1 montre les caractéristiques de puissance tension-courant de chaque panneau PV en fonction de l’ombrage et des niveaux d’insolation solaire égaux – moins d’ombrage entraîne un courant plus élevé. La courbe rouge dans le graphique inférieur illustre la puissance disponible du string photovoltaïque, avec plusieurs pics correspondant aux différents niveaux de courant et de tension pour la contribution de chaque panneau. Connecter des panneaux en série impose le même courant à tous, rendant impossible le fonctionnement de tous les panneaux à leur point de puissance maximal simultanément, donc impossible de maximiser la récupération d’énergie. La courbe verte représente la puissance potentielle totale que les panneaux photovoltaïques combinés pourraient produire si chacun fonctionnait à son point de puissance maximal. La différence entre les deux graphiques est considérable et montre la nécessité d’un optimiseur pour améliorer la capacité de récupération d’énergie à l’échelle du système.
Figure 1. Diagramme d’aperçu d’un système solaire basé sur un inverseur de chaîne, montrant l’effet de l’ombrage sur les caractéristiques de sortie de chaque panneau dans le graphique supérieur et l’effet sur la puissance totale disponible dans le graphique inférieur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Aperçu des Optimisateurs
Un optimiseur est un convertisseur de puissance DC inséré entre le panneau photovoltaïque et la connexion en série vers l’inverseur de chaîne central. Il a deux fonctions principales : 1) suivre le point de puissance maximal du panneau PV attaché et 2) fournir cette puissance à la connexion en chaîne en tant que source de puissance constante. La topologie la plus populaire pour un optimiseur est celle du convertisseur buck-boost en série, comme illustré dans la Figure 2.
Figure 2. Schéma électrique d’un convertisseur buck-boost en série, alimenté par un panneau photovoltaïque, adapté à un optimiseur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Le convertisseur buck-boost en série est populaire car il peut être configuré pour fonctionner avec une grande efficacité, en particulier lorsque le rapport de conversion de tension est maintenu bas.
L’optimiseur fonctionne en cherchant le point de puissance maximal du panneau et en redimensionnant la tension et le courant pour faire correspondre le courant tiré par l’inverseur. La Figure 3 montre les caractéristiques de sortie de l’optimiseur pour les différents niveaux de puissance dans le graphique supérieur de la Figure 1. La courbe noire en pointillés représente le courant tiré par l’inverseur, qui maintient son propre traqueur de point de puissance maximal (MPPT).
Figure 3. Caractéristiques de sortie de l’optimiseur pour divers niveaux d’ensoleillement des panneaux. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Il existe trois modes de fonctionnement de base pour l’optimiseur : 1) courant constant, 2) puissance constante, et 3) tension constante. Le mode de puissance constante est le mode de fonctionnement normal de l’optimiseur, tandis que les modes de tension constante et de courant constant sont basés sur les limites du convertisseur, durant lesquels l’optimiseur ne récupère plus la puissance maximale disponible du panneau. Le mode courant constant se produit lorsque l’inverseur de chaîne tente de tirer plus de courant que le circuit de l’optimiseur peut fournir, tandis que le mode tension constante se produit lorsque l’inverseur de chaîne tire trop peu de courant. Le système est optimisé lorsque l’inverseur de chaîne utilise son algorithme MPPT pour trouver la puissance maximale pour les sorties combinées des optimizeurs, suivant la courbe verte dans le graphique inférieur de la Figure 1 et lorsque la courbe noire en pointillés de la Figure 3 croise toutes les courbes de puissance constante des panneaux.
Aperçu de la carte de démonstration
L’EPC9178 est un convertisseur polyvalent à quatre interrupteurs en série capable de fonctionner en modes buck et boost, et il peut être configuré pour fonctionner en tant qu’optimiseur photovoltaïque. Son éventail de tensions d’entrée est de 30 V à 60 V, avec trois options de tension de sortie sélectionnables : 30 V, 45 V et 60 V. Les courants d’entrée et de sortie sont limités par le contrôleur à 15 A, et la limite de courant de sortie peut être activée ou désactivée par l’utilisateur. L’EPC9178 fonctionne à une fréquence de commutation fixe de 450 kHz dans tous les modes de fonctionnement. Cette haute fréquence permet de réduire la taille des composants passifs, tels que l’inducteur et les condensateurs de bus, ce qui entraîne une conception compacte, comme illustré dans la Figure 4. La petite taille du convertisseur et son design léger facilitent l’installation et la maintenance, contribuant ainsi à une densité de puissance de premier plan dans l’industrie pour les applications solaires. Bien que de petite taille, l’EPC9178 atteint une efficacité maximale respectable de 98 %.
Figure 4. Blocs de circuit fonctionnels de la carte de démonstration EPC9178. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
La clé de la haute efficacité et de la densité de puissance de l’EPC9178 réside dans son utilisation de transistors GaN EPC2306 classés à 100 V, qui présentent une très faible résistance à l’état actif de 3,8 mΩ. L’EPC2306 est disponible dans un boîtier PQFN de 3 x 5 mm et est construit sur la technologie éprouvée eGaN FET fiable. Leur faible résistance à l’état actif minimise les pertes de conduction, tandis que leur faible capacité de sortie (COSS) permet des temps de commutation courts et réduit les pertes de commutation. Cette combinaison de faibles pertes de conduction et de commutation améliore l’efficacité globale et simplifie la gestion thermique par rapport aux MOSFET en silicium équivalents.
L’EPC9178 utilise le LM5177 IC de Texas Instruments, qui intègre le contrôleur et les quatre pilotes de porte sur une seule puce. Cela permet d’obtenir une solution simple et compacte avec un nombre minimal de composants.
Résultats expérimentaux
L’EPC9178 a été évalué expérimentalement sur la base d’une plage de tension typique pour les panneaux photovoltaïques. Trois tensions d’entrée – 30 V, 45 V, et 60 V – ont été évaluées, le convertisseur fournissant une tension de sortie fixe de 30 V. La Figure 5 montre l’efficacité mesurée et les pertes de puissance de l’EPC9178, avec une efficacité maximale de 98 %. Pour une entrée de 60 V, des limites thermiques et de courant sont appliquées.
Figure 5. Montre l’efficacité globale et la perte de puissance de la carte EPC9178 avec diverses tensions d’entrée et fournissant 30 V dans la charge en fonction du courant de charge. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Points à retenir
L’EPC9178, équipé de FET en GaN à faible RDS(on) EPC2306 classés à 100 V et du contrôleur LM5177 de Texas Instruments, offre une efficacité exceptionnelle et une conception compacte. Ces attributs en font un choix idéal pour des applications nécessitant une haute efficacité, une petite taille et une longévité – comme les optimiseurs dans les systèmes photovoltaïques, comme l’a démontré l’unité expérimentale. Le LM5177 fait partie de l’écosystème en pleine croissance spécialement conçu pour les FET en GaN. À mesure que les systèmes d’énergie renouvelable continuent d’évoluer, des technologies innovantes comme les FET en GaN seront essentielles pour stimuler de nouvelles améliorations en termes de coûts, de performances et de fiabilité dans l’industrie.
Cet article est paru à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [] et est coécrit par Parinda Chantarasereekul, Xiaoping Jin, Alejandro Pozo, Mark Gurries, et Michael de Rooij d’Efficient Power Conversion.