迎接太陽光伏能源的嶄新黎明

新技術(shù)開發(fā)
在光伏能源領(lǐng)域，一種被稱為微型逆變器的新發(fā)明是非常有前途的，這是因為它可以提高安裝的效率，并有助于充分利用從每個面板所獲得的所有能量。在美國，小型到中型設(shè)備的安裝非常普遍。因此，每片太陽能面板接有250～500W的逆變器，并將不同的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的交流輸出電壓。

中心逆變器可以被設(shè)計成具有更窄輸入電壓范圍，更高驅(qū)動效率，因此輸出增益得到了倍增。這種設(shè)計的挑戰(zhàn)就是太陽能電池面板需要滿足苛刻的環(huán)境條件，能夠耐高溫和溫度循環(huán)沖擊。因此，利用像SuperMOS和Stealth二極管這類魯棒性非常好的半導(dǎo)體器件就能夠達到非常低的失效率。對于非隔離的單相工作形式，功率器件的耐壓通常需要達到600V。

另一種方法就是采用H橋接逆變器串聯(lián)形成合適的尺寸，并將每個逆變器的一相連接到串聯(lián)鏈路中下一個逆變器的另一相。通過這種方式，運用合適的控制技術(shù)，H橋接就可以形成多個逆變器的組合。由于每個太陽能電池面板在電氣上與下一個絕緣，它們的輸出就可以疊加在一起，并且功率器件的耐壓可以維持在低于100V的程度。

還有許多其他類型的拓撲結(jié)構(gòu)也是可能用在光伏能源領(lǐng)域的，有一些已經(jīng)在使用了。一種三級逆變器就是把IGBT和FET器件串聯(lián)在每個供電母線和線路之間，并在二者之間的分支上通過二極管鉗位到中性相上。由于這種逆變器本身的效率可以超過98%，所以在中到高功率應(yīng)用中逐漸普及。

在更大的三相安裝形式中，還有另外一種流行的拓撲結(jié)構(gòu)，就是中性點鉗位逆變器。它包括一個常規(guī)的IGBT逆變器橋，其每相都通過雙向IGBT開關(guān)連接到中性點。這種拓撲通常需要高功率、耐壓1200V的IGBT器件。

而另外一種拓撲結(jié)構(gòu)的思想促進了電流源逆變器（如圖4所示）的出現(xiàn)，它超越了前面所描述的電壓源逆變器。這種拓撲結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是不需要升壓單元和輸出功率到線路上的精細電壓控制電路。

圖4 電流源逆變器不需要升壓電路和電壓控制電路

IGBT器件結(jié)構(gòu)朝著更薄的硅襯底和溝道型柵極器件發(fā)展（如圖5所示）。具有很深n+緩沖和p+摻雜襯底（通孔類型）的基于EPI類型的早期器件已經(jīng)被具有植入陽極（非通孔類型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩沖器和陽極的相對場截止薄型晶圓所代替。背面攙雜種類、退火條件和方法可以不同，而且包括擴散、快速熱退火和激光退火等。為了使這種結(jié)構(gòu)的器件正常工作，晶圓被做得很薄，甚至放在手里都會彎曲（如圖5所示）。

圖5 IGBT器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是更薄的硅襯底和采用溝道型柵極

最近十幾年，常規(guī)600V MOSFET管已經(jīng)逐漸被稱之為超結(jié)點的一類MOSFET管所代替。它們通常在一個n型底層中由帶有埋藏p型層的多個外延n型層合并到一起來形成p型列。SuperFET器件就屬于這類。最近，一種更新的工藝流程在效率和功率密度方面提供了空前的性能。更深的溝道蝕刻和外延填充可以制造出密度更高、電阻更低的FET管，稱之為SupreMOS器件。

使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以利用中間電壓40～200V器件所提出的最新概念。目前可以獲得的器件的尺寸和導(dǎo)通電阻是常規(guī)溝道MOSFET管的一半。新技術(shù)使用充電平衡的方法來降低外延耗盡漂移區(qū)的電阻，以及一個屏蔽柵極來降低柵-漏電容，以此改善開關(guān)特性和降低損耗。

許多低于30kW的設(shè)計仍然使用可靠性高的分立晶體管，封裝采用TO220和TO247形式，或類似形式的。然而，功率范圍在100W～10kW之間、性能卓越的智能功率模塊也已經(jīng)面市，并且可以在很大程度上減少系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。

在橋接逆變器拓撲中，絕大部分模塊提供控制功率器件所必需的柵極電平升壓驅(qū)動電路。轉(zhuǎn)模封裝（Transfer-molded）的生產(chǎn)方法可以使太陽能設(shè)計工程師設(shè)計出高度更低、材料更少和成本更低的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。

在新系統(tǒng)架構(gòu)、控制方法和器件設(shè)計中的持續(xù)創(chuàng)新使得太陽能的利用效率更高。這些進步包括從全球政府部門對清潔能源的有力推動，使太陽能利用的前途真正變得光明。