La diversidad de diseños arquitectónicos conduce inevitablemente a una amplia variedad de configuraciones de instalación de paneles solares. Para maximizar la eficiencia de conversión de energía solar y al mismo tiempo preservar el atractivo estético de un edificio, se requiere una gama diversa de inversores para lograr una conversión óptima de energía solar. Los inversores string se han convertido en la opción más popular en el mercado internacional. Basado en un concepto modular, cada cadena fotovoltaica (de 1 kW a 5 kW) está conectada a un inversor individual, que cuenta con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) en el lado de CC y conexión en paralelo a la red en el lado de CA. Muchas centrales fotovoltaicas de gran escala utilizan inversores de cadena. Sus ventajas incluyen inmunidad a las variaciones de rendimiento entre módulos en diferentes cadenas y un impacto reducido de las sombras; además, mitigan los desajustes entre los puntos de funcionamiento óptimos de los módulos fotovoltaicos y los inversores, aumentando así la generación total de energía. Estas fortalezas técnicas no sólo reducen los costos del sistema sino que también mejoran la confiabilidad general del sistema. Además, la configuración "maestro-esclavo" permite vincular varias cadenas fotovoltaicas; Si la energía de una sola cadena es insuficiente para operar un inversor individual, el sistema puede combinar cadenas para garantizar que uno o más inversores permanezcan operativos, lo que resulta en una mayor producción de energía. El último enfoque implica que varios inversores formen un "equipo" en lugar de depender de una configuración "maestro-esclavo", lo que mejora aún más la confiabilidad del sistema. Impulsado por la creciente demanda de energía renovable, el mercado de inversores solares (PV) se está expandiendo rápidamente. Estos inversores requieren una eficiencia y confiabilidad excepcionalmente altas. Este análisis examina los circuitos de potencia empleados en dichos inversores y recomienda componentes óptimos para conmutación y rectificación. Hay tres arquitecturas generales distintas disponibles para inversores fotovoltaicos. La luz del sol incide sobre módulos solares conectados en serie, y cada módulo contiene una serie de células solares individuales. El voltaje de CC generado por estos módulos solares suele estar en el rango de varios cientos de voltios, un valor que varía según las condiciones de irradiancia del conjunto de módulos, la temperatura de las celdas y la cantidad de módulos conectados en la cadena en serie. La función principal de este tipo de inversor es convertir el voltaje CC de entrada en un valor estable. Esto se logra mediante un convertidor elevador, que requiere un interruptor elevador y un diodo elevador. En la primera configuración, a la etapa de refuerzo le sigue un convertidor de puente completo aislado, donde el transformador de puente completo proporciona aislamiento eléctrico. Un segundo convertidor de puente completo en el lado de salida convierte el voltaje CC de la primera etapa en voltaje CA. Luego, la salida se filtra antes de conectarse a la red de CA a través de un relé de doble contacto, lo que garantiza una desconexión segura durante fallas y un aislamiento de la red por la noche. La segunda configuración es un diseño no aislado, en el que el voltaje de CA se genera directamente desde la salida de CC de la etapa de refuerzo. La tercera configuración emplea una topología innovadora que integra las funciones de impulso y generación de CA en un único circuito especializado. Aunque la eficiencia de conversión de los paneles solares es bastante baja, es fundamental que el inversor alcance una eficiencia lo más cercana posible al 100%. En Alemania, se espera que un conjunto de módulos solares de 3 kW instalados en un tejado orientado al sur genere 2.550 kWh al año. Aumentar la eficiencia del inversor del 95% al 96% produciría 25 kWh adicionales por año, una cantidad que de otro modo requeriría la instalación de módulos solares adicionales, a un costo comparable al de un inversor adicional. Dado que mejorar la eficiencia del 95% al 96% no duplica el costo del inversor, invertir en unidades de mayor eficiencia es una opción lógica. Para los diseños emergentes, maximizar la eficiencia del inversor de la manera más rentable es un criterio de diseño clave, junto con la confiabilidad y el costo. Una mayor eficiencia reduce las fluctuaciones de temperatura durante el ciclo de carga, mejorando así la confiabilidad; por lo tanto, estos criterios están inherentemente vinculados. El uso de componentes modulares también contribuye a mejorar la fiabilidad. Todas las topologías que se muestran en la Figura 1 requieren dispositivos de potencia de conmutación rápida, mientras que las etapas de impulso y puente completo también requieren el uso de diodos de conmutación rápida. Además, los conmutadores optimizados específicamente para conmutación de baja frecuencia (100 Hz) también son útiles para estas topologías. Para cualquier tecnología de silicio determinada, los interruptores optimizados para conmutación rápida presentan mayores pérdidas de conducción que aquellos optimizados para aplicaciones de baja frecuencia.
La etapa de refuerzo suele estar diseñada como un convertidor de modo de conducción continua (CCM). La elección entre dispositivos de 600 V y 1200 V depende de la cantidad de módulos solares del conjunto conectados al inversor. Los interruptores de potencia generalmente constan de MOSFET o IGBT; En general, los MOSFET pueden funcionar a frecuencias de conmutación más altas que los IGBT. Además, siempre se debe considerar el impacto del diodo del cuerpo, aunque esto no es un problema en la etapa de refuerzo, ya que el diodo del cuerpo no conduce durante el funcionamiento normal. La pérdida de conducción de un MOSFET está determinada por su resistencia ($R_{DS(ON)}$), que, para una familia de MOSFET determinada, es proporcional al área efectiva del troquel. A medida que la tensión nominal aumenta de 600 V a 1200 V, la pérdida de conducción de un MOSFET aumenta significativamente; en consecuencia, incluso si un MOSFET de 1200 V tiene una clasificación $R_{DS(ON)}$ comparable, puede no estar disponible o ser prohibitivamente caro.
Para interruptores elevadores con clasificación de 600 V, los MOSFET de súper unión son una excelente opción, ya que ofrecen una pérdida de conducción óptima para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia. Las opciones incluyen MOSFET en paquetes TO-220 con $R_{DS(ON)}$ por debajo de 100 mΩ, o aquellos en paquetes TO-247 con $R_{DS(ON)}$ por debajo de 50 mΩ. Para los inversores solares que requieren interruptores de alimentación de 1200 V, los IGBT son la solución adecuada. Las tecnologías IGBT avanzadas, como NPT Trench y NPT Field Stop, están optimizadas para menores pérdidas de conducción, pero esto tiene el costo de mayores pérdidas de conmutación, lo que las hace menos adecuadas para aplicaciones de refuerzo de alta frecuencia. Basado en la tecnología planar heredada NPT (Non-Punch-Through), el dispositivo FGL40N120AND se ha desarrollado para mejorar la eficiencia de los circuitos de refuerzo que funcionan a altas frecuencias de conmutación. Presenta un nivel de rendimiento $E_{OFF}$ (pérdida de energía de apagado) de 43 µJ/Aa que de otro modo sería muy difícil de lograr, especialmente si se compara con los 80 µJ/A $E_{OFF}$ típicos de los dispositivos que utilizan tecnologías más avanzadas. Si bien el FGL40N120AND tiene un voltaje de saturación relativamente alto ($V_{CE(SAT)}$) -3,0 V (o 2,1 V a 125 grados), esto está más que compensado por sus pérdidas de conmutación excepcionalmente bajas en frecuencias de refuerzo altas. El dispositivo también integra un diodo antiparalelo. En condiciones normales de funcionamiento, este diodo permanece en un estado no conductor; sin embargo, durante el arranque o eventos transitorios, el circuito de refuerzo puede pasar a un modo de funcionamiento en el que el diodo antiparalelo comienza a conducir. Dado que un IGBT carece de un diodo inherente en el cuerpo, este diodo empaquetado es esencial para garantizar un funcionamiento confiable. Para el diodo de refuerzo en sí, se requiere un tipo de recuperación rápida, como un diodo Stealth™ o un diodo de carburo de silicio (SiC). Los diodos de SiC, en particular, ofrecen una tensión directa muy baja y pérdidas mínimas. Al seleccionar un diodo elevador, se debe tener en cuenta el impacto de la corriente de recuperación inversa (o, en el caso de los diodos SiC, la capacitancia de la unión) en el interruptor elevador, ya que estos factores contribuyen a pérdidas adicionales. En este contexto, el diodo Stealth II recientemente introducido (FFP08S60S) ofrece un rendimiento superior: en condiciones de $V_{DD}=390\\text{ V}$, $I_D=8\\text{ A}$, $di/dt=200\\text{ A/μs}$ y una temperatura de caja de 100 grados, la pérdida de conmutación calculada es de 205 mJ, en comparación con 225 mJ cuando se utiliza el diodo Stealth ISL9R860P2. En consecuencia, esta solución también mejora la eficiencia del inversor a altas frecuencias de conmutación. Después de la etapa de filtrado y puente completo del MOSFET, el puente de salida genera una señal de corriente y voltaje sinusoidal de 50 Hz. Una implementación común utiliza una topología de puente completo estándar (Figura 2). En esta configuración, al encender los interruptores superior izquierdo e inferior derecho se aplica un voltaje positivo a través de los terminales de salida, mientras que al encender los interruptores superior derecho e inferior izquierdo se aplica un voltaje negativo. En esta aplicación, sólo un interruptor está activo (conduciendo) en un momento dado. Un interruptor funciona a una frecuencia PWM alta, mientras que el otro funciona a una frecuencia baja de 50 Hz. Dado que los circuitos de arranque dependen de la acción de conmutación del dispositivo del lado bajo, el interruptor del lado bajo funciona a la frecuencia PWM alta, mientras que el interruptor del lado alto funciona a la frecuencia de 50 Hz. Dado que esta aplicación utiliza interruptores de alimentación de 600 V, los MOSFET de superunión de 600 V son muy adecuados. Debido a que estos interruptores deben soportar toda la corriente de recuperación inversa de los dispositivos complementarios durante el encendido, los dispositivos de superunión de recuperación rápida, como el FCH47N60F de 600 V, son una opción ideal. Con un $R_{DS(ON)}$ de 73 mΩ, este dispositivo ofrece menores pérdidas de conducción en comparación con otros componentes similares de rápida recuperación. Aunque la función de recuperación rápida no es necesaria cuando estos dispositivos conmutan a 50 Hz, ofrecen características $dv/dt$ y $di/dt$ superiores, que mejoran la confiabilidad del sistema en comparación con los MOSFET de superunión estándar.
Otra opción que vale la pena considerar es el FGH30N60LSD, un IGBT de 30A/600V con un voltaje de saturación ($V_{CE(SAT)}$) de sólo 1,1V. Debido a su muy alta pérdida de desconexión ($E_{OFF}$) de 10 mJ, es adecuado sólo para conmutación de baja frecuencia. Un MOSFET de 50 mΩ, a temperatura de funcionamiento, exhibe un $R_{DS(ON)}$ de 100 mΩ; en consecuencia, a una corriente de 11A, su $V_{DS}$ es equivalente al $V_{CE(SAT)}$ de este IGBT. Además, debido a que este IGBT se basa en una tecnología de perforación más antigua, su $V_{CE(SAT)}$ permanece relativamente estable con respecto a los cambios de temperatura. En consecuencia, este tipo de IGBT puede reducir las pérdidas totales en el puente de salida, aumentando así la eficiencia general del inversor. El IGBT FGH30N60LSD también es muy eficaz para aplicaciones que requieren conmutación entre diferentes tecnologías de conversión de energía (o topologías específicas) dentro de cada medio ciclo; en tales casos, el IGBT funciona como un interruptor de topología. Para transiciones de conmutación más rápidas, se emplean dispositivos de superunión convencionales o de recuperación rápida. Para topologías especializadas con clasificación de 1200 V y configuraciones de puente completo, el FGL40N120AND mencionado anteriormente es un interruptor ideal para inversores solares modernos de alta frecuencia. Cuando una tecnología específica requiere un diodo, los diodos Stealth II™, los diodos Hyperfast™ II o los diodos de carburo de silicio (SiC) sirven como soluciones excelentes.