太陽能發(fā)電系統(tǒng)對半導(dǎo)體器件的需求分析

　　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(tǒng)，這種拓撲的主要好處是太陽能發(fā)電站的光伏陣列能夠持續(xù)的輸出電力，既使當(dāng)其中一個逆變器功能失常的時候。此外，因為每一塊太陽能系統(tǒng)能夠利用高分辨率的PWM算法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換參數(shù)，讓系統(tǒng)能夠隨時根據(jù)負載的變化而進行調(diào)節(jié)，并利用片上外設(shè)如SPI、UART等接口實現(xiàn)各個微型逆變器之間的數(shù)據(jù)交換，因此，就有可能為每一個光伏電池板以及整個發(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就是為太陽能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)系統(tǒng)峰值功率實時監(jiān)測的能力;內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器;太陽能接地漏電流檢測能力;對太陽能電池板轉(zhuǎn)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(shè)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(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”進入p+體區(qū)。這種結(jié)構(gòu)有一個優(yōu)點，就是可以減小通道對電子流的阻力并消除電流擁擠現(xiàn)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(jié)構(gòu)可以降低開關(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(qū)域。這樣實現(xiàn)的更低的傳導(dǎo)能量和開關(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。

　　在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池板需要串聯(lián)或并聯(lián)工作，太陽能模塊產(chǎn)生的直流電壓在幾百伏的數(shù)量級，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術(shù)使得針對20kHz開關(guān)應(yīng)用的最新一代600V溝道型IGBT得以實現(xiàn)。以IR公司采用全橋拓撲構(gòu)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(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%。

　　一般來說，在直流/交流逆變器系統(tǒng)設(shè)計中，選擇IGBT器件的基本準則是提高轉(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(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(dǎo)致太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率非常低，所以，提升把太陽能電池收集的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的太陽能逆變器的效率，對于提升太陽能發(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定太陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標。未來的發(fā)展關(guān)鍵以及競爭的焦點在于提高光電轉(zhuǎn)換效率。

　　專家預(yù)言，因受到部署大規(guī)模太陽能發(fā)電廠的需求刺激，在未來的五年內(nèi)，三相中央逆變器系統(tǒng)的市場預(yù)計將有非常好的市場表現(xiàn)。從技術(shù)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(fā)生器、ADC、死區(qū)保護電路、以太網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)個人電腦等部分組成，如圖3所示。建設(shè)這種系統(tǒng)的目的在于實現(xiàn)太陽能電池組并網(wǎng)向電網(wǎng)供電，并借助于聯(lián)網(wǎng)控制來實現(xiàn)跟蹤峰值功率點來實現(xiàn)最高效率的太陽能并網(wǎng)發(fā)電。

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