太陽能并網發電系統對半導體器件的需求分析

　太陽能逆變器是整個太陽能發電系統的關鍵組件。它把光伏單元可變的直流電壓輸出轉換為清潔的50Hz或60Hz的正弦電壓源，從而為商用電網或本地電網供電。因為太陽電池板的光電轉換效率可能受到陽光照射的角度、云層、陰影或氣候條件的影響，所以，太陽能發電系統必須把不斷變化的直流電轉換為經過很好調整的交流電源。對充電電池的最大輸出功率應出現在光伏電池的電壓和電流積的峰值處，如圖1所示。

　　為了實現最大功率點輸出的跟蹤(MPPT)，微控制器要運行MPPT算法，以調節太陽能電池板的方向、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跟蹤太陽方位角以及高度角。

　　目前，在自適應太陽方位角、高度角以及輻射強度的跟蹤系統中，組成部件包括輻射強度傳感器、跟蹤傳感器、自動控制芯片、步進電機和細分驅動器、機械傳動機構及集能平臺等幾部分。對于風能/太陽能一體化的發電系統，還要檢測光伏陣列的輸出電壓/電流、跟蹤光強、環境光強、蓄電池充電電流/電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風速。因此，對微控制器的數據采集能力以及A/D轉換以及處理提出了很高的要求。

在大規模部署的太陽能并網發電廠中，光伏電池板的數量很大，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掃描各個獨立的太陽能電池板的峰值功率點，避免把局部峰值作為MPP點，同時，又能夠提高最大功率點輸出跟蹤的效率。TI提出的這種系統的架構如圖2所示。從中可看到，對于DC/DC轉換器、DC/AC轉換器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

　　微型逆變器的特點就是每一塊光伏電池板有它自己獨立的逆變器系統，這種拓撲的主要好處是太陽能發電站的光伏陣列能夠持續的輸出電力，既使當其中一個逆變器功能失常的時候。此外，因為每一塊太陽能系統能夠利用高分辨率的PWM算法來調節轉換參數，讓系統能夠隨時根據負載的變化而進行調節，并利用片上外設如SPI、UART等接口實現各個微型逆變器之間的數據交換，因此，就有可能為每一個光伏電池板以及整個發電站系統提供最優化的轉換效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是為太陽能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設計的，微型逆變器能夠最大限度地提高每個單電池板的功率輸出。

給太陽能逆變器選擇微控制器的原則包括：低的成本目標以滿足大量部署的需求;小的形狀因子;齊全的控制功能;與各個微型逆變器的控制器實現數據交換的能力;強大的并行運算能力;與模擬器件如電流和電壓傳感器接口，以實現系統峰值功率實時監測的能力;內置A/D轉換器;太陽能接地漏電流檢測能力;對太陽能電池板轉向電機進行控制的能力。

　　用于太陽能逆變器的功率器件

　　在太陽能逆變器的設計中，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”分布或者相對于p+體區是水平分布的。在溝道型IGBT中，多晶硅柵極是以“溝道方式向下”進入p+體區。這種結構有一個優點，就是可以減小通道對電子流的阻力并消除電流擁擠現象，因為此時電子垂直地在通道中流過。在平面型IGBT中，電子以某種角度進入通道，引起電流擁擠，從而增加電子流的阻力。在溝道型IGBT中，電子流的增強使Vce(on)大幅度降低。

　　除了降低Vce(on)外，通過將IGBT改成更薄的結構可以降低開關能量。結構越薄則空穴-電子復合速度就越快，這降低了IGBT關斷時的拖尾電流。為保持相同的耐擊穿電壓能力，在溝道型IGBT內構造了一個n場阻止層，以便在IGBT上的電壓增大時，阻止電場到達集電極區域。這樣實現的更低的傳導能量和開關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。

　　在太陽能發電系統中太陽能電池板需要串聯或并聯工作，太陽能模塊產生的直流電壓在幾百伏的數量級，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術使得針對20kHz開關應用的最新一代600V溝道型IGBT得以實現。以IR公司采用全橋拓撲構建的500W直流/交流逆變器演示板為例，通過測量所降低功耗表明，采用新型經優化的溝道型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%。

　　一般來說，在直流/交流逆變器系統設計中，選擇IGBT器件的基本準則是提高轉換效率、降低系統散熱片的尺寸、提高相同電路板上的電流密度。目前，市場上多家公司提供用于太陽能逆變器的功率器件，其中，包括IR、英飛凌、ST、飛兆半導體、Vishay、Microsemi、東芝等公司。

　　典型的并網發電系統

　　盡管太陽能資源是無窮盡的，每秒鐘到達地球表面的太陽光能量高達80萬千瓦，但是，由于太陽光輻射密度太低，導致太陽能電池的轉換效率非常低，所以，提升把太陽能電池收集的直流電轉化為交流電的太陽能逆變器的效率，對于提升太陽能發電效率就顯得至關重要。高效率且具有成本效益的逆變器成為評定太陽能發電系統優劣的關鍵指標。未來的發展關鍵以及競爭的焦點在于提高光電轉換效率。

專家預言，因受到部署大規模太陽能發電廠的需求刺激，在未來的五年內，三相中央逆變器系統的市場預計將有非常好的市場表現。從技術趨勢上看，Triphase NV公司的逆變器專家J. Van den KeyBus指出，未來的三相逆變器將由逆變器控制單元、IGBT逆變器、PWM發生器、ADC、死區保護電路、以太網、聯網個人電腦等部分組成，如圖3所示。建設這種系統的目的在于實現太陽能電池組并網向電網供電，并借助于聯網控制來實現跟蹤峰值功率點來實現最高效率的太陽能并網發電。

　　從圖3可見，太陽能并網發電系統將對下列系統和器件產生巨大的需求：

　　(1) 電網管理網絡系統;

　　(2) 以太網端口;

　　(3) AD轉換器;

　　(4) PWM發生器;

　　(5) 逆變器控制器;

　　(6) IGBT模塊以及逆變器;

　　(7) 太陽能電池板方位角和高度角轉向電機及其控制裝置;

從功率分立器件來看，隨著太陽能并網發電站規模的增大，采用1200V IGBT將是未來的發展趨勢。針對各種不同規格的逆變器的需求，IGBT模塊呈現集成度越來越高的發展趨勢。

　　值得關注的是，為了獲得更高的轉換效率，采用SiC二極管來設計太陽能逆變器系統是最新的發展趨勢。原因在于：(1) SiC的導熱率是砷化鎵的幾倍，也超過了Si的三倍，這將可以制造出更高電流密度的器件;(2) SiC的擊穿電場幾乎是Si擊穿電場的十倍，所以，采用SiC的相同設計將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓，因此，有可能開發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，相對于任何硅器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。

　　此外，因為太陽能微型逆變器需要監測電流、電壓、溫度等模擬參數，具有模擬和數字混合信號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換效率

　　太陽能電池為未來大規模發電提供了巨大商機，但目前大部分太陽能電池的輸出功率相對較低，典型的輸出效率在15%%左右。

　　“太陽每天產生的太陽能為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問題邁進一大步”，IMCE首席運營官Luc Van den hove表示，“我們現在面臨的最大技術挑戰是如何降低電陽能電池的成本和提高其效率。” IMEC的太陽能電池開發計劃的計劃表是，到2011年120微米晶硅電池的效率有望達到20%;到2015年，厚度為80微米的晶硅太陽能電池的效率將高于20%。其技術的發展思路是，提高材料的吸收系數，使之接近太陽能光譜的最大光子通量，并具有較高遷移率。此外，通過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性。

　　另一方面，荷蘭戴夫特理工大學和物質基礎研究基金會研究人員指出，非常小的特定半導體晶體會產生電子的“雪崩效應”。在傳統的太陽能電池中，1個光子只能精確地釋出1個電子，而在某些半導體納米晶體中，1個光子可釋出2個或3個電子，這就是所謂的“雪崩效應”。這些釋出的自由電子能夠確保太陽能電池運作并提供電力。釋出的電子越多，太陽能電池的輸出功率也越大。這種物理效應為生產廉價的、高輸出功率的太陽能電池鋪平了道路，從而有望利用半導體納米晶體(晶體尺寸在納米范圍內)來制造新型太陽能電池。此次的新發現表明，理論上由半導體納米晶體組成的太陽能電池的最大輸出能源效率將可能達到44%，同時有助于減少生產成本。

　　此外，IBM不久前聲稱他們已經在實驗室實現了從1平方厘米的太陽能電池板上提取230W的能量，并最終獲得70W可用電力的技術。其技術細節不祥。