作者：Damijan Zupancic，英飛凌科技太陽能和儲能系統（ESS）應用市場經理
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太陽能目前是美國增長最快的電力來源之一，近年來住宅太陽能裝機也呈指數級增長，這主要歸結于對可再生能源的需求、太陽能電池陣列價格的下降以及政府的各種激勵和投資。此外，太陽能技術在美國全國范圍內的應用普及也越來越廣泛。傳統上，大多數太陽能技術的采用和安裝都是由加利福尼亞州主導，但在前幾年得克薩斯州、紐約州、佛羅里達州和伊利諾伊州等其他州都出現了大幅增長。
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目前的市場預測表明，到2030年，約有1億戶家庭將安裝屋頂太陽能光伏電池。住宅太陽能系統由幾個關鍵部件組成，其中包括太陽能電池和面板、逆變器和儲能設備（通常是電池）。逆變器是系統的重要組成部分，它會對系統性能以及系統的總體成本產生重大影響。最近由于技術和制造工藝進步，降低了逆變器的成本，并使設備更加可靠。
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圖1：https://www.seia.org/solar-industry-research-data。

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自20世紀50年代和60年代太陽能電池板問世以來，太陽能逆變器就一直存在。在那些年代，逆變器的主要構成元件為繼電器，它們將直流電轉換為交流電。直到20世紀70年代和80年代，隨著半導體技術取得巨大進步，才誕生了基于晶體管的逆變器。基于晶體管的逆變器可提供更高的效率、更可靠的設計以及更緊湊的設備。直到20世紀90年代串式逆變器才得以引入，串式逆變器是當今住宅太陽能系統中常見的兩種逆變器拓撲之一，另一種是微型逆變器。微型逆變器直接安裝在太陽能電池板的背面，并將電流從直流轉換為交流。而串式逆變器將所有太陽能電池板串聯在一起，然后在單一點將電流從直流轉換為交流。
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在21世紀初，當時的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）能夠為太陽能逆變器應用提供最佳性能。IGBT基本上是具有金屬氧化物半導體柵極結構的雙極晶體管，這種架構允許器件像MOSFET一樣控制，同時能夠處理比當時的MOSFET器件更高的電流。有了這些器件，逆變器的設計便能夠提供更低的開關和傳導損耗，同時減少可聞噪聲和諧波的產生。這些器件中一個例子是英飛凌的600V/1200V TRENCHSTOP IGBT。
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最終，MOSFET器件的進步為太陽能逆變器應用提供了一種替代選擇。諸如OptiMOS N溝道功率MOSFET之類的器件能夠以極具競爭力的價格提供高效率和功率密度。最近，寬帶隙（WBG）器件開始展現競爭優勢，使其對當前和未來的太陽能逆變器應用更具吸引力。碳化硅（SiC）等WBG技術已展現出顯著提高的功率轉換效率，這有助于節省能源，同時還可以降低逆變器設備的尺寸和重量。系統的尺寸和重量非常重要，因為它可以減輕安裝和維護的負擔。下圖所示，為太陽能逆變器應用中晶體管器件的發展歷程。
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下面的圖表可以證明SiC能夠提供比Si更高的效率，在圖中，紅色跡線（trace line）表示Si器件，綠色跡線表示SiC器件。可以看出，SiC器件不僅提供更高的效率，還可以在更高開關頻率下具有更大的效率改進。在70KHz開關頻率下，1.3%的效率改善可導致58.5W的功率損耗差異。較低的功率損耗可使部件工作溫度顯著降低，這有助于減少所需的熱管理解決方案。
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總體而言，SiC和GaN等寬帶隙半導體器件目前是下一代太陽能逆變器設計的最佳選擇。它們可以在更高電壓下提供許多優勢，例如更高的效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的成本。此外，寬帶隙器件還允許采用更高的開關頻率。因此，與其他競爭技術相比，寬帶隙設計可以使用較低值的電感，能夠實現總體較高的功率密度。由于寬帶隙設備所能提供的眾多優勢，它們將繼續成為未來創新太陽能逆變器設計的理想選擇。
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參考資料：

太陽能行業研究數據|SEIA

2023年住宅太陽能行業最大趨勢| SolarTech（solartechonline.com）

到2030年，約有1億家庭會依靠屋頂太陽能光伏發電，國際能源署分析報告

太陽能系統的組成部件都有哪些？ | LG 美國

(2) 2023年太陽能行業需要關注的5個關鍵趨勢|領英

串式逆變器：優點和缺點說明 (sinovoltaics.com)

為太陽能逆變器應用正確選擇IGBT (infineon.com)

是什么讓SiC成為串式逆變器的完美解決方案？--- 英飛凌開發者社區

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