迎接太陽(yáng)光伏能源的嶄新黎明

新技術(shù)開(kāi)發(fā)
在光伏能源領(lǐng)域，一種被稱(chēng)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(gè)面板所獲得的所有能量。在美國，小型到中型設備的安裝非常普遍。因此，每片太陽(yáng)能面板接有250～500W的逆變器，并將不同的直流輸入電壓轉換為固定的交流輸出電壓。

中心逆變器可以被設計成具有更窄輸入電壓范圍，更高驅動(dòng)效率，因此輸出增益得到了倍增。這種設計的挑戰就是太陽(yáng)能電池面板需要滿(mǎn)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(lèi)魯棒性非常好的半導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(gè)逆變器的一相連接到串聯(lián)鏈路中下一個(gè)逆變器的另一相。通過(guò)這種方式，運用合適的控制技術(shù)，H橋接就可以形成多個(gè)逆變器的組合。由于每個(gè)太陽(yáng)能電池面板在電氣上與下一個(gè)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(lèi)型的拓撲結構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(gè)供電母線(xiàn)和線(xiàn)路之間，并在二者之間的分支上通過(guò)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(guò)98%，所以在中到高功率應用中逐漸普及。

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

而另外一種拓撲結構的思想促進(jìn)了電流源逆變器（如圖4所示）的出現，它超越了前面所描述的電壓源逆變器。這種拓撲結構的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要升壓?jiǎn)卧洼敵龉β实骄€(xiàn)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器件結構朝著(zhù)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(lèi)型）的基于EPI類(lèi)型的早期器件已經(jīng)被具有植入陽(yáng)極（非通孔類(lèi)型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩沖器和陽(yáng)極的相對場(chǎng)截止薄型晶圓所代替。背面攙雜種類(lèi)、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。為了使這種結構的器件正常工作，晶圓被做得很薄，甚至放在手里都會(huì )彎曲（如圖5所示）。

圖5 IGBT器件結構的發(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600V MOSFET管已經(jīng)逐漸被稱(chēng)之為超結點(diǎn)的一類(lèi)MOSFET管所代替。它們通常在一個(gè)n型底層中由帶有埋藏p型層的多個(gè)外延n型層合并到一起來(lái)形成p型列。SuperFET器件就屬于這類(lèi)。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(chēng)之為SupreMOS器件。

使用DC/DC轉換器的太陽(yáng)能發(fā)電系統可以利用中間電壓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通電阻是常規溝道MOSFET管的一半。新技術(shù)使用充電平衡的方法來(lái)降低外延耗盡漂移區的電阻，以及一個(gè)屏蔽柵極來(lái)降低柵-漏電容，以此改善開(kāi)關(guān)特性和降低損耗。

許多低于30kW的設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(lèi)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設計的復雜性。

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動(dòng)電路。轉模封裝（Transfer-molded）的生產(chǎn)方法可以使太陽(yáng)能設計工程師設計出高度更低、材料更少和成本更低的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統。

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