高效晶體管如何推動(dòng)組串式光伏逆變器發(fā)展

在今天的博文中，我們會(huì)進(jìn)一步深入探討——隨著時(shí)代的發(fā)展，高效功率晶體管技術(shù)對(duì)組串式光伏逆變器的影響。在電力儲(chǔ)能系統(tǒng)中，光伏逆變器是進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換必不可缺的組件。

首先，來(lái)談一談組串式光伏逆變器及其功能。組串式光伏逆變器是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為可用電力的無(wú)名英雄。它們進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，以使電流兼容設(shè)備和電網(wǎng)。在使電流與電網(wǎng)同步的同時(shí)，它們必須最大限度地提高功率輸出，以確保太陽(yáng)能系統(tǒng)高效運(yùn)行。

隨著時(shí)代的發(fā)展，組串式光伏逆變器已取得了顯著進(jìn)步，主要通過(guò)利用更高效的功率晶體管，減輕了重量，縮小了尺寸。這些技術(shù)進(jìn)步在太陽(yáng)能行業(yè)掀起了變革，提高了裝機(jī)便捷性和成本效益。通過(guò)采用更高效的功率晶體管，制造商已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出占用更少空間的緊湊型逆變器，可以很容易地將之集成到家用和商用太陽(yáng)能系統(tǒng)中。

這些精簡(jiǎn)型逆變器不僅簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，而且通過(guò)提高電流轉(zhuǎn)換效率提升了系統(tǒng)整體性能。隨著功率晶體管技術(shù)不斷發(fā)展，組串式光伏逆變器變得越來(lái)越輕便、越來(lái)越小巧的趨勢(shì)將繼續(xù)保持下去，促進(jìn)廣泛采用太陽(yáng)能發(fā)電作為清潔的可持續(xù)電力來(lái)源。

不同時(shí)期的組串式光伏逆變器采用的功率晶體管

從時(shí)間軸上看，早在2005年，我們的H5逆變器就采用IGBT模塊，實(shí)現(xiàn)了5kW單相和0.5W/in3功率密度。這種功率晶體管也具備主動(dòng)冷卻功能。接下來(lái)，我們?cè)?015年推出了5L逆變器，它基于150V OptiMOS? Si FET 5kW單相，功率密度為3.3 W/in3。不同的是，這些功率晶體管實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)冷卻。自2020年起，我們提供了6kW單相Heric逆變器，功率密度為4.7W/in3，具備被動(dòng)冷卻功能，如CoolMOS?產(chǎn)品系列。功率晶體管的未來(lái)無(wú)疑是光明的，因此，我們預(yù)計(jì)到2025年，采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料的寬禁帶（WBG）技術(shù)將如日中天。英飛凌提供的WBG功率晶體管系列包括CoolSiC?和CoolGaN?等。

圖1. 英飛凌功率晶體管系列

寬禁帶（WBG）電力電子行業(yè)的痛點(diǎn)包括，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中物料成本頗高、供應(yīng)局限和需要第二貨源。相比于通孔器件（THD），使用表面貼裝器件（SMD）降低了勞動(dòng)力成本。在可靠性和降噪方面，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)趨勢(shì)明顯。更小巧、更緊湊的WBG設(shè)計(jì)支持一個(gè)人輕松完成安裝，降低了安裝成本。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)可以促進(jìn)更廣泛地采用WBG技術(shù)。此外，寬禁帶技術(shù)通過(guò)頂部散熱優(yōu)化了熱管理，提高了功率晶體管的性能。

圖 2. 功率晶體管演化史

在電力電子系統(tǒng)中，降低雜散電感對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)頻率和提高效率起著至關(guān)重要的作用。較之傳統(tǒng)的THD封裝或功率模塊，SMD封裝可以大幅降低雜散電感。得益于此，功率晶體管能夠在更高開關(guān)頻率下工作。隨著新的寬禁帶（WBG）技術(shù)的興起，現(xiàn)在可以在提高開關(guān)頻率的同時(shí)，有效地控制開關(guān)損耗，滿足當(dāng)今嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)。支持更高工作頻率，有利于縮小電感器和電容器尺寸。此外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)具備更低功率損耗的新型晶體管，降低了散熱要求，減輕了對(duì)大量散熱的依賴。這些進(jìn)步最終帶來(lái)了更緊湊的設(shè)計(jì)和更低物料成本（BoM），從而提高了電力電子系統(tǒng)的效率和成本效益。

總之，高效功率晶體管的發(fā)展對(duì)組串式光伏逆變器產(chǎn)生了重大影響，這是值得深思的現(xiàn)象。這些技術(shù)進(jìn)步造就了更小巧、更輕便并且具備更出色性能的逆變器。

最讓人贊嘆的是，這些創(chuàng)新解決了諸如高成本、供應(yīng)局限和安裝困難等常見挑戰(zhàn)，推動(dòng)了可再生能源的普及和可持續(xù)發(fā)展。能夠見證功率晶體管技術(shù)的不斷進(jìn)步及其對(duì)更清潔的未來(lái)做出的貢獻(xiàn)，我感到無(wú)比振奮。

作者：Damijan Zupancic，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 應(yīng)用市場(chǎng)經(jīng)理

校對(duì)：徐斌，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 應(yīng)用管理經(jīng)理