通過(guò)WBG器件助于實(shí)現(xiàn)能效更高的太陽(yáng)能發(fā)電方案

我們持續(xù)面臨全球氣候形勢(shì)的惡劣現(xiàn)狀-我們的新聞推送充斥著火災(zāi)、洪水和極端天氣，所有這些都?xì)w因于氣候變化。

形勢(shì)顯然令人擔(dān)憂，個(gè)人、政府和游說(shuō)團(tuán)體都在倡導(dǎo)大幅減少化石燃料使用——或者完全禁止使用。

但如果沒(méi)有適當(dāng)技術(shù)能夠高效地提供能源且價(jià)格與現(xiàn)有技術(shù)價(jià)格相當(dāng)，許多政府支持的推行太陽(yáng)能發(fā)電的舉措就不可能完全成功。

太陽(yáng)能發(fā)電本質(zhì)上是直流（DC）技術(shù)，需要逆變器（DC-AC）來(lái)發(fā)電。一旦有了交流電（AC），所有的主要設(shè)備都可使用這電能，即使是小型設(shè)備如家居設(shè)備也可連接到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電力共享。

圖1：典型太陽(yáng)能發(fā)電逆變器系統(tǒng)框圖

在太陽(yáng)能發(fā)電的早期，逆變器往往是集中的，能力超過(guò)100 kW。但最近這趨勢(shì)已改變，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商更傾向使用低于100 kW的逆變器串。在所有情況下，該架構(gòu)都類(lèi)似于一個(gè)DC -DC升壓轉(zhuǎn)換器，用于增加光伏電池板的電壓，以及一個(gè)DC - AC逆變器，以本地電網(wǎng)的恰當(dāng)頻率（50 Hz / 60 Hz）產(chǎn)生交流電壓。該系統(tǒng)配有保護(hù)電路和精密的監(jiān)視/控制，確保在任何時(shí)候都達(dá)到最佳能效。

即使太陽(yáng)能是無(wú)盡的，但能效仍是太陽(yáng)能系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素。任何低效的系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生不想要的熱量，必須將其從系統(tǒng)中移除。這必然涉及熱管理措施，包括散熱器和/或風(fēng)扇，這每一個(gè)都會(huì)增加系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性、重量和成本。

雖然選擇的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響能效，但主要的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件（MOSFET、IGBT和二極管）對(duì)于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用所需的能效絕對(duì)至關(guān)重要。自發(fā)明了半導(dǎo)體器件以來(lái)，硅（Si）一直是主要使用的材料，通過(guò)多年的不斷創(chuàng)新，該技術(shù)已達(dá)到了幾乎不可能進(jìn)一步提升的地步。

因此，主要的半導(dǎo)體制造商如安森美半導(dǎo)體，一直在探索其他材料來(lái)構(gòu)建未來(lái)的開(kāi)關(guān)器件。所謂寬帶隙（WBG）材料，包括氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），已成為關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊男阅芊浅＿m合開(kāi)發(fā)高效的半導(dǎo)體器件。

WBG材料的固有電阻比基于Si的器件低，從而減少了連續(xù)導(dǎo)電時(shí)的靜電損耗。另外，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，磁性元器件的尺寸減小，WBG技術(shù)進(jìn)一步提高了能效，因?yàn)殚T(mén)極電荷比硅減少，動(dòng)態(tài)損耗也降低。

圖2：寬禁帶優(yōu)勢(shì)

如果有因素減緩了WBG的采用，那么從過(guò)去而言這因素就是成本。但是，粗略的分析將使工程師得出錯(cuò)誤的結(jié)論，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件通常僅占電力系統(tǒng)成本的10％，而電感器和電容器約占90％。由于SiC器件增強(qiáng)的性能，可使電容器和電感器的值降低約75％，從而極大地降低了成本和尺寸。

圖3：當(dāng)以80kHz工作時(shí)，典型的SiC二極管的損耗比硅二極管小73％

如果考慮到無(wú)源元器件的節(jié)省，盡管SiC器件的成本較高，但基于WBG的電源方案的總成本現(xiàn)在相當(dāng)于或略低于Si基方案。

安森美半導(dǎo)體提供大量SiC MOSFET產(chǎn)品組合，包括900V如NTHL020N090SC1和1200V如NTHL040N120SC1，導(dǎo)通電阻（RDS（ON））僅40 mOhm，低門(mén)極電荷（QG）和電容值可降低電磁干擾（EMI）并允許使用更快的開(kāi)關(guān)頻率，提供了上述優(yōu)勢(shì)。SiC肖特基二極管如650V和1200V。 30A FFSH30120A就是個(gè)例子，它沒(méi)有反向恢復(fù)，具有電流不受溫度影響的開(kāi)關(guān)特性，因此非常適用于先進(jìn)的太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用。

隨著行業(yè)已達(dá)到這一關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，WBG器件將真正成為太陽(yáng)能發(fā)電的光明未來(lái)的促成者，有助于實(shí)現(xiàn)能效更高的地球，應(yīng)對(duì)氣候變化的影響。

審核編輯：郭婷