Nei sistemi solari fotovoltaici (PV), l’elettronica di potenza a livello di modulo (MLPE, module-level power electronics) migliora le prestazioni di potenza in determinate condizioni, in particolare all’ombra. Un tempo considerata una tecnologia costosa, l’MLPE è ora uno dei segmenti di mercato in più rapida crescita nel settore solare. Un ottimizzatore di potenza solare è un tipo di MLPE che ottimizza la potenza in uscita del pannello FV e aumenta l’efficienza.
Gli ottimizzatori di potenza solare convenzionali utilizzano un diodo a giunzione P-N o un diodo Schottky per il circuito di bypass. Quando una corrente elevata scorre attraverso il diodo, ne deriva una notevole dissipazione di potenza che può essere causa di gravi problemi termici dovuti alla caduta di tensione diretta relativamente elevata del diodo. Per ovviare a questo inconveniente, è possibile utilizzare un MOSFET che presenta una caduta di tensione inferiore rispetto ai diodi e quindi dissipa minore potenza. Un altro problema che i progettisti di ottimizzatori solari debbono affrontare è la sempre più elevata tensione di ingresso – fino a 150 V con due pannelli fotovoltaici in serie – che deve essere presa in considerazione insieme alla necessità di garantire minori perdite, una maggiore efficienza e minori costi di sistema.
In questo articolo, discuteremo di una soluzione di bypass scalabile che utilizza un controller a diodo ideale con MOSFET floating-gate. Questo circuito affronta le sfide relative agli interruttori di bypass garantendo ampio supporto di tensione nelle applicazioni di energia solare come ottimizzatori e box di giunzione fotovoltaici a spegnimento rapido.
Cos’è un ottimizzatore di energia solare?
La Figura 1 illustra un sistema fotovoltaico con un ottimizzatore di energia solare installato su un singolo pannello fotovoltaico.
Figura 1. Sistema fotovoltaico con un ottimizzatore di energia solare.
Possiamo pensare ad un ottimizzatore di potenza come a un compromesso tra un microinverter e un inverter di stringa. È installato sui singoli pannelli solari come un microinverter, ma la sua funzione non ha nulla a che fare con la conversione di elettricità da DC a AC. Un ottimizzatore di potenza traccia la potenza massima di ciascun pannello solare in tempo reale e regola la tensione di uscita prima di inviarla all’inverter. Pertanto all’inverter arriva molta più elettricità. Il risultato è una prestazione di potenza-rendimento ottimizzata per ogni singolo pannello solare, indipendentemente dall’orientamento verso il sole, dall’ombra o persino dai danni a uno o più pannelli. I sistemi solari con ottimizzatori di potenza installati su ogni pannello FV possono avere un’efficienza dal 20% al 30% superiore rispetto a un sistema che non ne fa uso.
Funzione di bypass di uscita di un ottimizzatore di potenza solare
Per gli inverter solari ad alta potenza, il collegamento di più pannelli FV in serie consente di inviare all’ingresso dell’inverter una tensione continua più elevata. L’implementazione degli ottimizzatori sui pannelli FV corrispondenti consente di ottenere la massima efficienza, come mostrato nella Figura 2. La stringa FV è effettivamente collegata dalle uscite dell’ottimizzatore. Se uno qualsiasi dei pannelli solari si guasta, la tensione della stringa FV può crollare, poiché tutti i pannelli FV sono collegati in serie. Un circuito di bypass di uscita fornisce un percorso parallelo alla corrente di stringa attorno all’ottimizzatore danneggiato. La Figura 2 mostra come funziona la funzione di bypass quando uno dei pannelli FV si danneggia.
Figura 2. Giunzione di bypass di uscita di un ottimizzatore di potenza solare.
Le varie soluzioni per il bypass di uscita
In genere, esistono due tipi di soluzioni per il circuito di bypass. Il modo comune per ottenere la funzionalità di bypass è utilizzare diodi a giunzione P-N o diodi Schottky, come mostrato nella Figura 3. È economico, facile da usare e può raggiungere una tensione inversa molto elevata in base al diodo selezionato.
Tuttavia, ci sono degli svantaggi, come un’elevata caduta di tensione diretta (da 0,5 V a 1 V), che causa una maggiore dissipazione di potenza; in questo caso, anche il circuito stampato presenta dimensioni maggiori.
Per superare gli svantaggi della soluzione del diodo di bypass, l’utilizzo di un MOSFET a canale N, che ha una caduta di tensione molto più bassa e perdite di potenza inferiori (a causa del basso RDSON), è un’alternativa. Ci sono, tuttavia, ancora alcuni svantaggi:
- Il MOSFET non è una soluzione autonoma: richiede un circuito di controllo per funzionare come un interruttore, solitamente un microcontrollore (MCU) con un circuito driver MOSFET discreto.
- L’MCU necessita di alimentazione dal pannello fotovoltaico. Quindi, se il pannello FV è gravemente danneggiato o completamente coperto da ombre o zone d’ombra, l’MCU non funzionerà e il MOSFET non potrà accendersi,
- Nel caso di guasto all’MCU, il MOSFET non può essere acceso e il percorso di bypass è garantito da body diode del MOSFET. Ma questo diodo, solitamente, non può sopportare elevate correnti e accumulerà alti gradi di calore che possono portare alla distruzione del componente.
Figura 3. Interruttore di bypass negli ottimizzatori solari: differenti soluzioni.
Un modo intelligente per affrontare gli svantaggi di uno schema di controllo acceso o spento basato su MCU è quello di utilizzare un controller MOSFET in grado di funzionare in modo autonomo senza alcun intervento esterno. La famiglia di Texas Instruments LM74610-Q1 di controller con diodo ideale basata su floating-gate fornisce una soluzione autonoma e a bassa perdita per gli interruttore di bypass controllando il MOSFET a canale N esterno che emula il comportamento del diodo in serie.
Questi controller hanno un’architettura di gate-drive flottante che può funzionare con una tensione di ingresso bassa quanto la caduta diretta del body diode del MOSFET (circa 0,5 V). Con l’aumento dei livelli di potenza dell’inverter solare e l’aumento dell’adozione di pannelli fotovoltaici ad alta tensione, questa soluzione di bypass offre prestazioni migliori rispetto a quelle tradizionali. Questa soluzione è in grado di operare con una tensione del pannello fotovoltaico compresa tra 20 V e 150 V, garantendo la scalabilità su più piattaforme con un funzionamento indipendente da altri circuiti.
Una soluzione di switch di bypass scalabile che utilizza un controller diodo ideale a bassa tensione
La soluzione del circuito di bypass utilizza un controller a diodo ideale con un’architettura di gate-drive flottante (come LM74610-Q1) per pilotare un MOSFET esterno ed emulare un diodo ideale come circuito di bypass in modo che sia indipendente da altri circuiti. La sua architettura di gate-drive flottante può raggiungere un intervallo di ingresso universale, poiché il gate drive non rispetta la terra. Inoltre, un ulteriore vantaggio di questo schema è che, non essendo riferito a terra, presenta una corrente di riposo pari a zero.
Quando i pannelli solari e le apparecchiature solari funzionano normalmente, il MOSFET di bypass è spento e la tensione inversa pari alla tensione massima del pannello appare dal catodo ai pin dell’anodo del controller a diodo ideale. Tuttavia, la tensione inversa (da PV+ a PV–) dal catodo ai pin dell’anodo del controller può essere molto elevata come la tensione transitoria del pannello FV e della stringa.
Nei casi in cui i pannelli FV vengano utilizzati in serie con un intervallo di tensione di ingresso molto ampio, può essere difficile progettare l’intervallo di tensione di ingresso massimo per il circuito di bypass. La tensione inversa massima dell’LM74610-Q1 è infatti di 45 V nei transitori. Pertanto, i controller a diodo ideale attualmente disponibili non sono adatti per pannelli solari con una tensione di ingresso nominale di 80 V o 125 V. L’aggiunta di un depletion MOSFET QD nel percorso di rilevamento per estendere l’intervallo di tensione inversa del controller a diodo ideale mantiene questo livello di tensione per qualsiasi intervallo, come mostrato nella Figura 4. Il drain del QD si collega all’uscita PV+. La sorgente si collega al catodo e il gate si collega all’anodo del controller a diodo ideale.
Figura 4. Soluzione di interruttore di bypass scalabile.
Principio di funzionamento dell’estensione dell’intervallo di tensione inversa LM74610-Q1
I MOSFET in modalità di svuotamento sono accesi per impostazione predefinita quando VGS del MOSFET è 0 V, a differenza dei enhanced-mode MOSFET che richiedono che VGS sia maggiore della tensione di soglia del MOSFET. Per disattivare il MOSFET a svuotamento, VGS deve essere <0 V (gli intervalli tipici sono da (–1 V a –4 V). Per analizzare l’effetto del MOSFET in modalità di svuotamento in un percorso di rilevamento a diodo ideale, diamo un’occhiata al funzionamento del dispositivo in queste condizioni:
- Quando VPV– VPV+: il controller diodo ideale è in modalità di condizione diretta, mantenendo accesi sia il MOSFET di potenza Q1 che il FET a svuotamento QD. Con queste condizioni operative, è possibile calcolare la tensione di uscita come VOUT = VIN – (ID_Q1 RDSON_Q1), approssimata a VPV+.
- Quando VPV– < VPV+: il controller a diodo ideale è in condizione di blocco della corrente inversa, con MOSFET Q1 spento. Il MOSFET QD è in modalità di regolazione come follower di sorgente, mantenendo VCATHODE sopra VANODE, VCATHODE = VIN(VANODE)+ (VGSMAX). Quindi la tensione attraverso VCATHODE a VANODE rientra nella valutazione massima assoluta VGSMAX di QD (solitamente <5V), che è molto inferiore alla tensione inversa massima di 45V transitoria di LM74610-Q1. L’elevata tensione inversa (VOUT – VIN) è sostenuta dalla tensione drain-to-source (VDS) di QD e Q1.
La selezione del depletion MOSFET e del MOSFET di potenza corretti dipende da questi punti:
- Scegliere una valutazione VDS di Q1 e QD maggiore della tensione di ingresso di picco massima.
- Selezionare RDSON in modo che la dissipazione attraverso il MOSFET del percorso di potenza sia minima. La corrente di drain (ID) del FET dovrebbe essere superiore alla corrente di picco massima richiesta dal carico di uscita. La selezione di un depletion MOSFET con una caduta da 50mV a 100mV attraverso il MOSFET di potenza alla corrente di pieno carico è un buon punto di partenza.
- RDSON può essere nell’intervallo di centinaia di ohm (l’architettura di pilotaggio del gate flottante dell’LM74610-Q1 ha un’elevata impedenza del pin del catodo a terra e l’ICATHODE del controller è nell’intervallo dei microampere).
La Figura 5 mostra i risultati dei test per una soluzione di bypass switch da 60 V utilizzando il controller LM74610-Q1 da 40 V.
Figura 5. Risultati dei test per un circuito di bypass da 60 V con LM74610-Q1 e depletion MOSFET.
Con MOSFET correttamente dimensionati (Q1 e QD), l’intervallo di tensione di ingresso può estendersi al valore VDS dei FET.
Tutto ciò consente progetti ad alta tensione utilizzando lo stesso controller a bassa tensione. Inoltre, estendere l’intervallo di tensione di ingresso può essere utile anche in applicazioni aziendali, di comunicazione, di utensili elettrici e di gestione delle batterie ad alta tensione.
Conclusione
Se i pannelli fotovoltaici o le apparecchiature solari collegate in serie sono rotti o difettosi, è importante avere un sistema in grado di evitare hot spotting e/o interruzioni della tensione.
Questa responsabilità ricade solitamente sull’ottimizzatore di potenza solare o sullo spegnimento rapido. Mentre i diodi raddrizzatori standard o i diodi Schottky sono la soluzione più semplice per bypassare il pannello rotto, la loro inefficienza termica è notevole. Un controller a diodo ideale con floating-gate insieme a un MOSFET a canale N offre meno perdite rispetto a una soluzione di commutazione di bypass e un’ulteriore soluzione alternativa di sistema con un MOSFET a svuotamento offre una soluzione completamente scalabile per affrontare l’ampia gamma di tensione di ingresso dei pannelli fotovoltaici.
Risorse aggiuntive
Yang Wu è Analog Field Applications Engineer China East Sales presso Texas Instruments; Abhijeet Godbole è Systems Engineer Analog Power Products presso Texas Instruments; Dilip Jain è Systems Manager Analog Power Products presso Texas Instruments.
