寬禁帶技術(shù)對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要

顯然，可再生能源將是我們未來(lái)的重要組成部分，它既滿足我們對(duì)電能的日益增長(zhǎng)的需求，為電動(dòng)汽車（EV）等新技術(shù)供電，也保護(hù)環(huán)境，減少我們對(duì)污染化石燃料和核能的依賴。

在使用的各種形式的可再生能源中，太陽(yáng)能和風(fēng)能已成為最常使用的能源，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生大多數(shù)清潔可再生能源。在這兩種技術(shù)中，太陽(yáng)能正在成為主導(dǎo)技術(shù)，其發(fā)電量幾乎是風(fēng)力發(fā)電的兩倍。實(shí)際上，2017年部署的太陽(yáng)能發(fā)電量大于同期基于化石燃料的發(fā)電總量，這是全球轉(zhuǎn)向清潔可再生能源的重要里程碑。

太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展有巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，因?yàn)樗壳皟H占全球總發(fā)電量的12％（相當(dāng)于500 GW）。亞太地區(qū)的產(chǎn)能領(lǐng)先，占全球一半以上，其中以占全球太陽(yáng)能部署量三分之一的中國(guó)為主。歐洲目前占全球產(chǎn)能的四分之一以上，而美國(guó)約占全球產(chǎn)能的六分之一。

太陽(yáng)能的快速增長(zhǎng)（有人估計(jì)其復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）約為30％）是由三個(gè)主要因素驅(qū)動(dòng)：對(duì)更大功率持續(xù)強(qiáng)烈的需求、技術(shù)進(jìn)步以及政府法規(guī)和倡議。光伏面板正在不斷改進(jìn)，以更高效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，和從較小的表面積產(chǎn)生更多的電能，從而使住宅設(shè)施更有效。

各國(guó)政府正在制定政策刺激太陽(yáng)能增長(zhǎng)，如中國(guó)聲明到2020年清潔能源必須滿足其20％的能源需求。歐盟進(jìn)一步實(shí)施其“20-20-20”目標(biāo)：到2020年，能效將提高20％，二氧化碳排放量降低20％，可再生能源將產(chǎn)生20％的能量。

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

光伏面板產(chǎn)生直流電壓，當(dāng)與DC-DC充電器一起使用時(shí)，可用于“離網(wǎng)”電源，對(duì)存儲(chǔ)能量的電池組進(jìn)行充電，以備后用。但是，大多數(shù)設(shè)備都需要市電電壓下的交流電源，因此，在許多系統(tǒng)中，從光伏面板電壓生成交流電壓的逆變器至關(guān)重要。這種方法被稱為“并網(wǎng)”，因?yàn)榻涣麟娍梢赃B接回主電網(wǎng)，從而為房主提供機(jī)會(huì)向發(fā)電公司出售電力以抵消賬單。

圖1：典型的太陽(yáng)能發(fā)電逆變系統(tǒng)框圖

逆變器尺寸方面，趨勢(shì)是從超過(guò)100 kW的高功率中央逆變器轉(zhuǎn)向每臺(tái)能夠提供高達(dá)100 kW功率的多串逆變器。這些系統(tǒng)的核心是DC - DC升壓轉(zhuǎn)換器和DC - AC逆變器，從光伏面板獲得的DC電壓生成AC電源電壓（和頻率）。除此以外，還有一系列精密的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)電路，以確保系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。

能效是任何太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵目標(biāo)之一，以至能量不會(huì)浪費(fèi)，并且盡可能少地產(chǎn)生不需要的熱量。系統(tǒng)的能效越高，在散熱器、風(fēng)扇和其他硬件方面所需的冷卻就越少，從而減小了系統(tǒng)的大小、重量和成本。

寬禁帶技術(shù)對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要

可以說(shuō)，電源轉(zhuǎn)換器最重要的元件開(kāi)關(guān)器件如MOSFET、IGBT和二極管，通常由硅制成。由于這些器件對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的能效至關(guān)重要，因此，領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司如安森美半導(dǎo)體已大量投資，以不斷提高性能。然而，該行業(yè)已到了采用硅器件幾乎不可能進(jìn)一步改進(jìn)的程度。因此，基于寬禁帶（WBG）材料的開(kāi)關(guān)器件，包括氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），被視為是提供未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所需性能的關(guān)鍵。

SiC開(kāi)關(guān)器件有時(shí)被稱為“解決所有電源工程師問(wèn)題的方案”，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域提供增強(qiáng)的性能。在靜態(tài)應(yīng)用中，它們?cè)谕耆油〞r(shí)固有的更低電阻可降低損耗，因此在運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量更少。

在現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，工程師的目標(biāo)是提高開(kāi)關(guān)頻率，從而能夠減小電感器和變壓器等磁性器件的尺寸。這種方法減少了許多逆變器設(shè)計(jì)中接通時(shí)出現(xiàn)的浪涌電流。采用基于硅的MOSFET，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的門極電荷（Qg）量相對(duì)較大，因此，隨著頻率的增加，動(dòng)態(tài)損耗也隨之增加。

使用SiC器件時(shí)，動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)損耗要小得多，因而能使用更高的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)仍能提高性能（并減小尺寸）。相比之下，典型的SiC二極管以80kHz工作時(shí)，其損耗要比硅二極管小73％。在大功率太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，提高約3％的能效將帶來(lái)顯著的性能提升。

人們?nèi)匀徽J(rèn)為SiC方案很貴。但事實(shí)并非如此，盡管這些器件已在市場(chǎng)上銷售了一段時(shí)間，但采用率一直低于預(yù)期，因?yàn)殛P(guān)注點(diǎn)在單個(gè)器件的成本而不是整個(gè)系統(tǒng)的成本或總擁有成本。

如果我們考慮使用硅基30 kW電源方案，則電感器和電容器的成本為90％（分別為60％和30％）。半導(dǎo)體器件僅占總物料單（BOM）成本的10％。盡管單個(gè)SiC器件的成本要比對(duì)應(yīng)的硅器件高，但使用SiC開(kāi)關(guān)可使電容和電感值降低75％，顯著降低了成本，從而抵消了開(kāi)關(guān)器件的成本增加。因此，SiC方案用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的BOM總成本已達(dá)到可以低于硅方案的水平，并具有顯著的應(yīng)用和性能優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代SiC WBG方案

領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商包括安森美半導(dǎo)體提供一系列全面的高能效電源方案，其中包括可提升太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)性能的先進(jìn)SiC基器件。先進(jìn)的門極驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化，可與SiC MOSFET一起使用，并提供允許的最大門極電壓，以確保它們完全導(dǎo)通以最小化損耗。

SiC MOSFET如安森美半導(dǎo)體的NVHL080N120SC1具有僅80 mOhm的導(dǎo)通電阻（RDS（ON））和低門極電荷（QG）及電容值，降低電磁干擾（EMI）并支持使用更快的開(kāi)關(guān)頻率，從而帶來(lái)上述好處。SiC肖特基二極管如1200V、30A FFSH30120A沒(méi)有反向恢復(fù)電流和與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性，非常適用于先進(jìn)的太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用。

總結(jié)

太陽(yáng)能正成為未來(lái)的重要能源，因?yàn)樗峁┝谁h(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的方案。價(jià)格下降、政府政策和減少二氧化碳排放的需要共同使該領(lǐng)域強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

能效在這里至關(guān)重要，是設(shè)計(jì)和制造小的、高度可靠的系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，而基于硅的方案已達(dá)其發(fā)展?jié)摿Φ臉O限，現(xiàn)正被WBG技術(shù)超越?；赟iC的器件損耗要低得多，并且可以在更高的溫度和更快的工作頻率下運(yùn)行，從而極大地減小了占BOM主要成本的電感和電容器的尺寸和成本。因此，這些高效且可靠的系統(tǒng)能夠以低于上一代硅基產(chǎn)品的價(jià)格水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。