碳化硅在光伏發(fā)電逆變器上的應(yīng)用案例

消費(fèi)者、各行業(yè)及政府都在采取各項(xiàng)措施以增加對(duì)可再生能源的利用，這正在將發(fā)電和輸配電系統(tǒng)從中心化的電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成更加智能化網(wǎng)格化的，支持本地發(fā)電的拓?fù)?，并通過(guò)智能電網(wǎng)互連來(lái)平滑供需。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）2019年10月的報(bào)告，到2024年，可再生能源發(fā)電量將增長(zhǎng)50％。這意味著全球可再生能源發(fā)電量將增加1200GW，相當(dāng)于美國(guó)目前的裝機(jī)量。該報(bào)告預(yù)測(cè)，可再生能源中約有60％將以太陽(yáng)能光伏（PV）的形式出現(xiàn)。

可再生能源的增長(zhǎng)

圖1. 2019 – 2024年按技術(shù)分類的可再生能源產(chǎn)能增長(zhǎng)

IEA報(bào)告還強(qiáng)調(diào)了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要性，因?yàn)橄M(fèi)者，商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施開(kāi)始生產(chǎn)自己的電力。它預(yù)測(cè)，到2024年，分布式光伏發(fā)電總?cè)萘繉⒎环陨?，超過(guò)500GW。這意味著分布式光伏發(fā)電將占太陽(yáng)能光伏總增長(zhǎng)的近一半。

圖2. 2007 – 2024年分布式光伏產(chǎn)能增長(zhǎng)情況

光伏的優(yōu)勢(shì)

為什么太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源容量的增長(zhǎng)如此重要？一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能非常容易直接利用，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)或離網(wǎng)區(qū)域。另一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能很多，根據(jù)計(jì)算，海平面上，每平方米每天可產(chǎn)生1kW電力，如果考慮諸如日/夜周期，入射角，季節(jié)性等因素，每天每平方米或可以產(chǎn)生6kWh電量。

太陽(yáng)能發(fā)電利用光電效應(yīng)將入射光轉(zhuǎn)化為電能。光子被半導(dǎo)體材料（例如摻雜的硅）吸收，它們的能量將電子激發(fā)出其分子或原子軌道。然后，這些電子可將其多余的能量作為熱量散失并返回其軌道，或者傳播到電極并形成電流。

與所有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一樣，并非所有輸入太陽(yáng)能電池的能量都以首選的電形式輸出。實(shí)際上，多年來(lái)，單晶硅太陽(yáng)能電池的效率一直徘徊在20％至25％之間。但是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的機(jī)會(huì)是如此巨大，以至于數(shù)十年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)一直在努力使用日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料來(lái)提高電池轉(zhuǎn)換效率，如NREL的這張圖所示。

圖3. 1976年至2020年全球研究太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)展（NREL）（此圖由美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供）

通常，以使用多種不同材料和更復(fù)雜，更昂貴的制造技術(shù)為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)所示的更高效率。

許多太陽(yáng)能光伏設(shè)備依靠各種形式的多晶硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜，轉(zhuǎn)換效率在20％至30％的范圍內(nèi)。單元內(nèi)置在模塊中，這些模塊是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元。

效率挑戰(zhàn)

20%-30%是理想狀態(tài)，實(shí)際上轉(zhuǎn)換效率可能會(huì)因各種原因而降低轉(zhuǎn)換效率：降雨，積雪和灰塵沉積，材料老化以及環(huán)境變化，例如由于植被的生長(zhǎng)或新建筑物的安裝而增加陰影。

因此，實(shí)際的現(xiàn)實(shí)是，盡管太陽(yáng)能是免費(fèi)的，但利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能需要仔細(xì)優(yōu)化，包括轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)等每個(gè)階段。提高效率的最大技術(shù)之一是逆變器的設(shè)計(jì)，該逆變器將太陽(yáng)能電池陣列（或其電池存儲(chǔ)）的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，以便直接消耗或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。

逆變器通過(guò)切換直流輸入電流的極性來(lái)工作，使其接近交流輸出。開(kāi)關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換效率越高。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)即可產(chǎn)生方波輸出，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，但是諧波會(huì)損失更多的電流。因此，逆變器需要平衡開(kāi)關(guān)頻率以提高效率、工作電壓和功率容量，此外還需要針對(duì)最小化方波的輔助組件成本之間的進(jìn)行平衡。

SiC的優(yōu)勢(shì)

碳化硅（SiC）在太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用中比硅具有多種優(yōu)勢(shì)，其擊穿電壓是傳統(tǒng)硅的十倍以上， SiC器件還具有比硅更低的導(dǎo)通電阻，柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，以及更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著SiC器件可以在比硅等效器件更高的電壓，頻率和電流下切換，同時(shí)更有效地管理散熱。

MOSFET在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中受到青睞，因?yàn)樗鼈兪菃螛O器件，這意味著它們不使用少數(shù)載流子。既使用多數(shù)載流子又使用少數(shù)載流子的硅雙極型器件（IGBT）可以在比硅MOSFET高的電壓下工作，但是由于它們?cè)谇袚Q時(shí)需要等待電子和空穴重新結(jié)合以及耗散重組能量，因此其開(kāi)關(guān)速度變慢。

硅MOSFET廣泛用于高達(dá)300V的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，高于該電壓時(shí)，器件的導(dǎo)通電阻上升，設(shè)計(jì)者不得不轉(zhuǎn)向較慢的雙極器件。 SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來(lái)制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET，同時(shí)保留了低壓硅器件的快速開(kāi)關(guān)速度優(yōu)勢(shì)。開(kāi)關(guān)性能也相對(duì)獨(dú)立于溫度，從而在系統(tǒng)升溫時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

由于功率轉(zhuǎn)換效率與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)，因此，SiC既可以處理比硅更高的電壓，又可以確保高轉(zhuǎn)換效率所需的超高轉(zhuǎn)換頻率，因此實(shí)現(xiàn)了雙贏。

SiC的導(dǎo)熱系數(shù)也是硅的三倍，可以在更高的溫度下運(yùn)行。硅在175℃左右就無(wú)法正常運(yùn)行，甚至在200攝氏度時(shí)直接會(huì)變成導(dǎo)體。而SiC直到1000℃左右才發(fā)生這種情況?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式利用SiC的熱特性。首先，它可以用于制造功率轉(zhuǎn)換器，而該轉(zhuǎn)換器所需的冷卻系統(tǒng)要少于等效的硅系統(tǒng)。另外，SiC在較高溫度下的穩(wěn)定運(yùn)行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如車輛和蜂窩基站。

這些優(yōu)勢(shì)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率更高的功率升壓電路中發(fā)揮了重要作用。該電路設(shè)計(jì)為使太陽(yáng)能電池陣列的輸出阻抗（隨入射光的水平而變化）與逆變器所需的輸入阻抗相匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)換。

圖4：引入SiC器件以提高太陽(yáng)能升壓電路的效率（ON Semiconductor）

最左圖顯示了成本最低的方法，該方法使用硅二極管和MOSFET。如中圖所示，第一個(gè)優(yōu)化方案是用SiC版本取代硅二極管，這將提高電路的功率密度和轉(zhuǎn)換效率，從而降低系統(tǒng)成本。如右圖所示，也可以用SiC等效替代硅MOSFET，這為設(shè)計(jì)人員提供了更多的開(kāi)關(guān)頻率選擇，從而進(jìn)一步提高了電路的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。

采用熟悉的TO220和TO247封裝的安森美半導(dǎo)體SiC肖特基二極管，額定電壓和電流高達(dá)1200V和20A。它還為模塊制造商提供裸芯片，額定電壓和電流高達(dá)1200V和50A。

還有許多采用熟悉的D2PAK和TO247格式的1200V SiC MOSFET，典型RDSon低至20mW。

該公司還銷售混合模塊，該模塊將硅IGBT和SiC二極管結(jié)合在一起，例如功率集成模塊（PIM）。它具有雙升壓特性，包括了兩個(gè)40A / 1200V IGBT，兩個(gè)15A / 1200V SiC二極管和兩個(gè)用于IGBT的25A / 1600V反并聯(lián)二極管。另外兩個(gè)25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌電流，并且該模塊還帶有熱敏電阻保護(hù)。

對(duì)于那些想要在太陽(yáng)能光伏裝置中利用SiC的人，安森美半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了一系列兩通道或三通道的SiC升壓模塊，用于太陽(yáng)能逆變器。

SiC功率器件比硅替代品具有許多優(yōu)勢(shì)，包括其切換高壓的能力以及高速，低損耗和良好熱性能的電流。盡管目前它們?cè)谕惢A(chǔ)上可能比硅產(chǎn)品更貴（如果可以使用硅替代產(chǎn)品），但它們?cè)谙到y(tǒng)內(nèi)的良好性能可以帶來(lái)總成本的節(jié)省，例如散熱成本，面積成本等。然后是效率問(wèn)題，如果部署SiC可以提高2%的效率，那將產(chǎn)生額外的10GW電能。

編輯：hfy