太陽(yáng)能發(fā)電系統對半導體器件的需求分析

　　微型逆變器的特點(diǎn)就是每一塊光伏電池板有它自己獨立的逆變器系統，這種拓撲的主要好處是太陽(yáng)能發(fā)電站的光伏陣列能夠持續的輸出電力，既使當其中一個(gè)逆變器功能失常的時(shí)候。此外，因為每一塊太陽(yáng)能系統能夠利用高分辨率的PWM算法來(lái)調節轉換參數，讓系統能夠隨時(shí)根據負載的變化而進(jìn)行調節，并利用片上外設如SPI、UART等接口實(shí)現各個(gè)微型逆變器之間的數據交換，因此，就有可能為每一個(gè)光伏電池板以及整個(gè)發(fā)電站系統提供最優(yōu)化的轉換效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是為太陽(yáng)能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設計的，微型逆變器能夠最大限度地提高每個(gè)單電池板的功率輸出。

　　給太陽(yáng)能逆變器選擇微控制器的原則包括：低的成本目標以滿(mǎn)足大量部署的需求;小的形狀因子;齊全的控制功能;與各個(gè)微型逆變器的控制器實(shí)現數據交換的能力;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(shí)現系統峰值功率實(shí)時(shí)監測的能力;內置A/D轉換器;太陽(yáng)能接地漏電流檢測能力;對太陽(yáng)能電池板轉向電機進(jìn)行控制的能力。

　　用于太陽(yáng)能逆變器的功率器件

　　在太陽(yáng)能逆變器的設計中，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(jìn)入p+體區。這種結構有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以減小通道對電子流的阻力并消除電流擁擠現象，因為此時(shí)電子垂直地在通道中流過(guò)。在平面型IGBT中，電子以某種角度進(jìn)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(guò)將IGBT改成更薄的結構可以降低開(kāi)關(guān)能量。結構越薄則空穴-電子復合速度就越快，這降低了IGBT關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。為保持相同的耐擊穿電壓能力，在溝道型IGBT內構造了一個(gè)n場(chǎng)阻止層，以便在IGBT上的電壓增大時(shí)，阻止電場(chǎng)到達集電極區域。這樣實(shí)現的更低的傳導能量和開(kāi)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(yáng)能發(fā)電系統中太陽(yáng)能電池板需要串聯(lián)或并聯(lián)工作，太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的直流電壓在幾百伏的數量級，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術(shù)使得針對20kHz開(kāi)關(guān)應用的最新一代600V溝道型IGBT得以實(shí)現。以IR公司采用全橋拓撲構建的500W直流/交流逆變器演示板為例，通過(guò)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(lái)說(shuō)，在直流/交流逆變器系統設計中，選擇IGBT器件的基本準則是提高轉換效率、降低系統散熱片的尺寸、提高相同電路板上的電流密度。目前，市場(chǎng)上多家公司提供用于太陽(yáng)能逆變器的功率器件，其中，包括IR、英飛凌、ST、飛兆半導體、Vishay、Microsemi、東芝等公司。

　　典型的并網(wǎng)發(fā)電系統

　　盡管太陽(yáng)能資源是無(wú)窮盡的，每秒鐘到達地球表面的太陽(yáng)光能量高達80萬(wàn)千瓦，但是，由于太陽(yáng)光輻射密度太低，導致太陽(yáng)能電池的轉換效率非常低，所以，提升把太陽(yáng)能電池收集的直流電轉化為交流電的太陽(yáng)能逆變器的效率，對于提升太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統優(yōu)劣的關(guān)鍵指標。未來(lái)的發(fā)展關(guān)鍵以及競爭的焦點(diǎn)在于提高光電轉換效率。

　　專(zhuān)家預言，因受到部署大規模太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)的需求刺激，在未來(lái)的五年內，三相中央逆變器系統的市場(chǎng)預計將有非常好的市場(chǎng)表現。從技術(shù)趨勢上看，Triphase NV公司的逆變器專(zhuān)家J. Van den KeyBus指出，未來(lái)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、死區保護電路、以太網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)個(gè)人電腦等部分組成，如圖3所示。建設這種系統的目的在于實(shí)現太陽(yáng)能電池組并網(wǎng)向電網(wǎng)供電，并借助于聯(lián)網(wǎng)控制來(lái)實(shí)現跟蹤峰值功率點(diǎn)來(lái)實(shí)現最高效率的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電。

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