太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件的需求分析

　太陽(yáng)能逆變器是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。它把光伏單元可變的直流電壓輸出轉(zhuǎn)換為清潔的50Hz或60Hz的正弦電壓源，從而為商用電網(wǎng)或本地電網(wǎng)供電。因?yàn)樘?yáng)電池板的光電轉(zhuǎn)換效率可能受到陽(yáng)光照射的角度、云層、陰影或氣候條件的影響，所以，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)必須把不斷變化的直流電轉(zhuǎn)換為經(jīng)過(guò)很好調(diào)整的交流電源。對(duì)充電電池的最大輸出功率應(yīng)出現(xiàn)在光伏電池的電壓和電流積的峰值處，如圖1所示。

　　為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)輸出的跟蹤(MPPT)，微控制器要運(yùn)行MPPT算法，以調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的方向、輸出的直流電壓和電流，使之獲得峰值功率輸出，就需要采用微控制器以及傳感器來(lái)跟蹤太陽(yáng)方位角以及高度角。

　　目前，在自適應(yīng)太陽(yáng)方位角、高度角以及輻射強(qiáng)度的跟蹤系統(tǒng)中，組成部件包括輻射強(qiáng)度傳感器、跟蹤傳感器、自動(dòng)控制芯片、步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及集能平臺(tái)等幾部分。對(duì)于風(fēng)能/太陽(yáng)能一體化的發(fā)電系統(tǒng)，還要檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓/電流、跟蹤光強(qiáng)、環(huán)境光強(qiáng)、蓄電池充電電流/電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環(huán)境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽(yáng)方位角、高度角和風(fēng)速。因此，對(duì)微控制器的數(shù)據(jù)采集能力以及A/D轉(zhuǎn)換以及處理提出了很高的要求。

在大規(guī)模部署的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電廠中，光伏電池板的數(shù)量很大，為此，TI公司提出了“微型逆變器”的概念，它既能夠在較寬的范圍內(nèi)掃描各個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能電池板的峰值功率點(diǎn)，避免把局部峰值作為MPP點(diǎn)，同時(shí)，又能夠提高最大功率點(diǎn)輸出跟蹤的效率。TI提出的這種系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。從中可看到，對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

　　微型逆變器的特點(diǎn)就是每一塊光伏電池板有它自己獨(dú)立的逆變器系統(tǒng)，這種拓?fù)涞闹饕锰幨翘?yáng)能發(fā)電站的光伏陣列能夠持續(xù)的輸出電力，既使當(dāng)其中一個(gè)逆變器功能失常的時(shí)候。此外，因?yàn)槊恳粔K太陽(yáng)能系統(tǒng)能夠利用高分辨率的PWM算法來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換參數(shù)，讓系統(tǒng)能夠隨時(shí)根據(jù)負(fù)載的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用片上外設(shè)如SPI、UART等接口實(shí)現(xiàn)各個(gè)微型逆變器之間的數(shù)據(jù)交換，因此，就有可能為每一個(gè)光伏電池板以及整個(gè)發(fā)電站系統(tǒng)提供最優(yōu)化的轉(zhuǎn)換效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是為太陽(yáng)能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設(shè)計(jì)的，微型逆變器能夠最大限度地提高每個(gè)單電池板的功率輸出。

給太陽(yáng)能逆變器選擇微控制器的原則包括：低的成本目標(biāo)以滿(mǎn)足大量部署的需求;小的形狀因子;齊全的控制功能;與各個(gè)微型逆變器的控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的能力;強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力;與模擬器件如電流和電壓傳感器接口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰值功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力;內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器;太陽(yáng)能接地漏電流檢測(cè)能力;對(duì)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制的能力。

　　用于太陽(yáng)能逆變器的功率器件

　　在太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)中，常用的IGBT分別為平面型IGBT和溝道型IGBT。在平面型IGBT中，多晶硅柵極是呈“平面”分布或者相對(duì)于p+體區(qū)是水平分布的。在溝道型IGBT中，多晶硅柵極是以“溝道方式向下”進(jìn)入p+體區(qū)。這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以減小通道對(duì)電子流的阻力并消除電流擁擠現(xiàn)象，因?yàn)榇藭r(shí)電子垂直地在通道中流過(guò)。在平面型IGBT中，電子以某種角度進(jìn)入通道，引起電流擁擠，從而增加電子流的阻力。在溝道型IGBT中，電子流的增強(qiáng)使Vce(on)大幅度降低。

　　除了降低Vce(on)外，通過(guò)將IGBT改成更薄的結(jié)構(gòu)可以降低開(kāi)關(guān)能量。結(jié)構(gòu)越薄則空穴-電子復(fù)合速度就越快，這降低了IGBT關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。為保持相同的耐擊穿電壓能力，在溝道型IGBT內(nèi)構(gòu)造了一個(gè)n場(chǎng)阻止層，以便在IGBT上的電壓增大時(shí)，阻止電場(chǎng)到達(dá)集電極區(qū)域。這樣實(shí)現(xiàn)的更低的傳導(dǎo)能量和開(kāi)關(guān)能量允許逆變器的尺寸更小，或者相同尺寸逆變器的功率密度更大。

　　在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板需要串聯(lián)或并聯(lián)工作，太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的直流電壓在幾百伏的數(shù)量級(jí)，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術(shù)使得針對(duì)20kHz開(kāi)關(guān)應(yīng)用的最新一代600V溝道型IGBT得以實(shí)現(xiàn)。以IR公司采用全橋拓?fù)錁?gòu)建的500W直流/交流逆變器演示板為例，通過(guò)測(cè)量所降低功耗表明，采用新型經(jīng)優(yōu)化的溝道型IGBT器件，可使散熱片溫度降低16%。功耗的降低使IGBT的效率比前一代IGBT器件提高了近30%。

　　一般來(lái)說(shuō)，在直流/交流逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇IGBT器件的基本準(zhǔn)則是提高轉(zhuǎn)換效率、降低系統(tǒng)散熱片的尺寸、提高相同電路板上的電流密度。目前，市場(chǎng)上多家公司提供用于太陽(yáng)能逆變器的功率器件，其中，包括IR、英飛凌、ST、飛兆半導(dǎo)體、Vishay、Microsemi、東芝等公司。

　　典型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

　　盡管太陽(yáng)能資源是無(wú)窮盡的，每秒鐘到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，但是，由于太陽(yáng)光輻射密度太低，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率非常低，所以，提升把太陽(yáng)能電池收集的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的太陽(yáng)能逆變器的效率，對(duì)于提升太陽(yáng)能發(fā)電效率就顯得至關(guān)重要。高效率且具有成本效益的逆變器成為評(píng)定太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。未來(lái)的發(fā)展關(guān)鍵以及競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)在于提高光電轉(zhuǎn)換效率。

專(zhuān)家預(yù)言，因受到部署大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電廠的需求刺激，在未來(lái)的五年內(nèi)，三相中央逆變器系統(tǒng)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將有非常好的市場(chǎng)表現(xiàn)。從技術(shù)趨勢(shì)上看，Triphase NV公司的逆變器專(zhuān)家J. Van den KeyBus指出，未來(lái)的三相逆變器將由逆變器控制單元、IGBT逆變器、PWM發(fā)生器、ADC、死區(qū)保護(hù)電路、以太網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)個(gè)人電腦等部分組成，如圖3所示。建設(shè)這種系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池組并網(wǎng)向電網(wǎng)供電，并借助于聯(lián)網(wǎng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤峰值功率點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)最高效率的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電。

　　從圖3可見(jiàn)，太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對(duì)下列系統(tǒng)和器件產(chǎn)生巨大的需求：

　　(1) 電網(wǎng)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);

　　(2) 以太網(wǎng)端口;

　　(3) AD轉(zhuǎn)換器;

　　(4) PWM發(fā)生器;

　　(5) 逆變器控制器;

　　(6) IGBT模塊以及逆變器;

　　(7) 太陽(yáng)能電池板方位角和高度角轉(zhuǎn)向電機(jī)及其控制裝置;

從功率分立器件來(lái)看，隨著太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電站規(guī)模的增大，采用1200V IGBT將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)各種不同規(guī)格的逆變器的需求，IGBT模塊呈現(xiàn)集成度越來(lái)越高的發(fā)展趨勢(shì)。

　　值得關(guān)注的是，為了獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，采用SiC二極管來(lái)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)是最新的發(fā)展趨勢(shì)。原因在于：(1) SiC的導(dǎo)熱率是砷化鎵的幾倍，也超過(guò)了Si的三倍，這將可以制造出更高電流密度的器件;(2) SiC的擊穿電場(chǎng)幾乎是Si擊穿電場(chǎng)的十倍，所以，采用SiC的相同設(shè)計(jì)將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓，因此，有可能開(kāi)發(fā)出非常高電壓的肖特基二極管;(3) SiC是一種寬能帶材料，因此，相對(duì)于任何硅器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。

　　此外，因?yàn)樘?yáng)能微型逆變器需要監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度等模擬參數(shù)，具有模擬和數(shù)字混合信號(hào)處理能力的微控制器有望在這里找到用武之地。

　　利用新材料提高光電轉(zhuǎn)換效率

　　太陽(yáng)能電池為未來(lái)大規(guī)模發(fā)電提供了巨大商機(jī)，但目前大部分太陽(yáng)能電池的輸出功率相對(duì)較低，典型的輸出效率在15%%左右。

　　“太陽(yáng)每天產(chǎn)生的太陽(yáng)能為165,000太瓦特(TeraWatt)，我們只要能從中獲取極小的一部分能量，就能朝解決能源危機(jī)問(wèn)題邁進(jìn)一大步”，IMCE首席運(yùn)營(yíng)官Luc Van den hove表示，“我們現(xiàn)在面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)是如何降低電陽(yáng)能電池的成本和提高其效率?！?IMEC的太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃的計(jì)劃表是，到2011年120微米晶硅電池的效率有望達(dá)到20%;到2015年，厚度為80微米的晶硅太陽(yáng)能電池的效率將高于20%。其技術(shù)的發(fā)展思路是，提高材料的吸收系數(shù)，使之接近太陽(yáng)能光譜的最大光子通量，并具有較高遷移率。此外，通過(guò)采用旋涂工藝涂覆該材料，改善其薄膜形貌，從而提高載流子遷移率和可重復(fù)性。

　　另一方面，荷蘭戴夫特理工大學(xué)和物質(zhì)基礎(chǔ)研究基金會(huì)研究人員指出，非常小的特定半導(dǎo)體晶體會(huì)產(chǎn)生電子的“雪崩效應(yīng)”。在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池中，1個(gè)光子只能精確地釋出1個(gè)電子，而在某些半導(dǎo)體納米晶體中，1個(gè)光子可釋出2個(gè)或3個(gè)電子，這就是所謂的“雪崩效應(yīng)”。這些釋出的自由電子能夠確保太陽(yáng)能電池運(yùn)作并提供電力。釋出的電子越多，太陽(yáng)能電池的輸出功率也越大。這種物理效應(yīng)為生產(chǎn)廉價(jià)的、高輸出功率的太陽(yáng)能電池鋪平了道路，從而有望利用半導(dǎo)體納米晶體(晶體尺寸在納米范圍內(nèi))來(lái)制造新型太陽(yáng)能電池。此次的新發(fā)現(xiàn)表明，理論上由半導(dǎo)體納米晶體組成的太陽(yáng)能電池的最大輸出能源效率將可能達(dá)到44%，同時(shí)有助于減少生產(chǎn)成本。

　　此外，IBM不久前聲稱(chēng)他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從1平方厘米的太陽(yáng)能電池板上提取230W的能量，并最終獲得70W可用電力的技術(shù)。其技術(shù)細(xì)節(jié)不祥。