以創(chuàng )新半導體技術(shù)迎接可再生能源市場(chǎng)的爆發(fā)

　　可再生能源近年來(lái)已日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，但由于成本、效率、可靠性等多方面的因素，一直制約著(zhù)可再生能源應用的普及?？蛇@絲毫不能減退各國政府對于可再生能源的熱情，尤其在日本3.11大地震引發(fā)核危機之后，人們更深刻的認識到大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能等安全、綠色的可再生能源的迫切性。作為高科技產(chǎn)品的技術(shù)基礎，半導體產(chǎn)業(yè)在其中一直扮演重要的角色，在可再生能源領(lǐng)域亦是如此。

　　提升太陽(yáng)能轉換效率

　　太陽(yáng)能光伏是可再生能源中最具優(yōu)勢的一種方案：轉換環(huán)節少、資源蘊含量豐富、土地占用面積小……但設備轉換費用以及轉換效率仍是當今太陽(yáng)能光伏面臨的兩大挑戰。由于太陽(yáng)能光伏板的成本占整個(gè)光伏系統成本的70%以上，太陽(yáng)能光伏板供貨商不斷致力提高太陽(yáng)能光伏板的效率。太陽(yáng)能光伏板上的陰影變化、污垢和光伏板老化等因素，都會(huì )對各個(gè)光伏板的電壓構成影響，從而引起串聯(lián)光伏板的輸出電壓發(fā)生變化。例如，光伏系統表面只要有大約10%的陰影，就可能導致不成比例地50%以上的電能損失。

　　針對光伏陰影問(wèn)題，美國國家半導體（國半）的SolarMagic電源優(yōu)化器尤為引人注目。它可監察并優(yōu)化每塊電池板的發(fā)電量，并改善電池板中的電流流向。傳統的方法是使用微型逆變器，即在每塊電池板上都加裝逆變器，功能比中央逆變器優(yōu)勝。簡(jiǎn)單而言，它無(wú)需配置太陽(yáng)能光伏板串聯(lián)，就可以在每塊光伏板上取得最佳功率點(diǎn)，減少陰影問(wèn)題?？墒?，除了效率之外，影響光伏系統的關(guān)鍵因素還有可靠性和成本。微型逆變器并不能全面地平衡這幾個(gè)關(guān)鍵因素。逆變器在現行的光伏系統中是可靠性最低的組件，它們一般只能使用5到10年，而電池板則可保證使用25年。

　　國半亞太區核心市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展總監張耀強表示，通過(guò)采用SolarMagic技術(shù)，太陽(yáng)能發(fā)電系統可挽回50%以上因輸電失配或陰影遮蔽而損失的發(fā)電量。微型優(yōu)化器將智能地管理每塊電池板，讓它們可以最佳的功率點(diǎn)去運行，即使串聯(lián)電池組內有個(gè)別電池板發(fā)生故障也不會(huì )影響系統的整體效率。繼第二代產(chǎn)品SM3320之后，目前國半正準備推出基于SolarMagic技術(shù)的第三代產(chǎn)品。

　　太陽(yáng)能電池是與生俱來(lái)的低效率器件，不過(guò)這類(lèi)電池確實(shí)有最大輸出功率點(diǎn)，因此在這一點(diǎn)上工作是顯然的設計目標。問(wèn)題是，最大輸出功率的I-V特性隨著(zhù)光照條件的變化而改變。單晶太陽(yáng)能電池的輸出電流與光強成正比，而其在最大功率輸出點(diǎn)上的電壓則相對恒定。就給定光強而言，最大功率輸出出現在每條曲線(xiàn)的彎曲處，在這里電池從恒定電壓器件轉變?yōu)楹愣娏髌骷?，參?jiàn)圖1。

　　圖1：?jiǎn)喂澒夥姵氐牡湫妥畲蠊β庶c(diǎn)控制點(diǎn)

　　cell current：電池電流

　　maximum power point：最大功率點(diǎn)

　　cell voltage：電池電壓

　　cell performance：電池性能

　　因此，一個(gè)充電器設計要能從太陽(yáng)能電池板高效率抽取能量，那么當光照強度不能滿(mǎn)足充電器的全部功率需求時(shí)，必須能控制電池板的輸出電壓，以將其引導到最大功率點(diǎn)上?！斑@就是凌力爾特（Linear）開(kāi)發(fā)出面向太陽(yáng)能供電應用2A電池充電器LT3652的原因?！绷枇柼毓倦娫串a(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監Tony Armstrong指出。該器件采用了一個(gè)輸入電壓調節環(huán)路，如果輸入電壓降至低于設定值（由一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器網(wǎng)絡(luò )設定），那么該環(huán)路就降低充電電流。當由太陽(yáng)能電池板供電時(shí)，輸入電壓調節環(huán)路用于保持電池板接近峰值輸出狀態(tài)。

　　凌力爾特還推出了專(zhuān)門(mén)用于可再生能源應用的LTC4070電池充電器。該器件是一款易于使用和纖巧的并聯(lián)電池充電器IC，用于鋰離子/聚合物電池。通過(guò)串聯(lián)幾個(gè)LTC4070，可以給多節電池組成的電池組充電，并實(shí)現電池電量的平衡。該器件的功能使其非常適用于功率較低的連續和間歇充電電源應用，包括鋰離子/聚合物電池備份、薄膜電池、幣形電池、存儲器備份、具備份的太陽(yáng)能供電系統、嵌入式汽車(chē)應用以及能量收集應用。

　能源采集方案

　　除了在提高能量轉換效率方面的技術(shù)創(chuàng )新外，可再生能源也為能量收集器件創(chuàng )造了機會(huì )。我們周?chē)嬖诖罅凯h(huán)境能源，傳統的能量收集方法一直利用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機收集能量。不過(guò)，新的收集工具使我們能用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。例如，熱電發(fā)生器將熱能轉換成電能，壓電組件轉換機械振動(dòng)能，光伏組件轉換太陽(yáng)光（或任何光源）的光能，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉換潮氣產(chǎn)生的能量。這使向遠程傳感器供電或給電容器、薄膜電池等存儲器件充電成為可能，從而可向遠程微處理器或發(fā)送器供電，而無(wú)需當地電源。凌力爾特就有一系列相關(guān)的能量收集產(chǎn)品，例如，自動(dòng)極性熱能收集器LTC3109，；壓電能收集器LTC3588以及20mV熱能收集器LTC3108。

　　為了實(shí)現太陽(yáng)能電池高能效的能量提取，恩智浦半導體（NXPSemiconductors）也推出了一款專(zhuān)門(mén)執行最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）功能的低功耗集成電路MPT612，有效優(yōu)化太陽(yáng)能應用的電力提取效率。恩智浦半導體大中華區市場(chǎng)總監金宇杰指出，以電池充電為例，當MPT612在運行恩智浦即將獲得專(zhuān)利的MPPT算法時(shí)，它能幫助系統從一塊太陽(yáng)能面板提取的能量比傳統的控制器要高出30％以上。

　　圖2：NXP的最大功率點(diǎn)追蹤IC（MPT612）原理框圖

　　MPT612解決方案采用低功耗、32位ARM7TDMI-S處理器，支持包括I2C、UART、SPI和SSP在內的多個(gè)串行接口。MPT612具有光伏應用中所需的硬件功能，包括電壓和電流測量，面板參數配置，并能夠發(fā)送輸出信號來(lái)控制外部開(kāi)關(guān)。除太陽(yáng)能光伏電池和和燃料電池的直流（DC）充電控制器之外，MPT612還可應用于分布式DC-DC 轉換器用來(lái)提高太陽(yáng)能電池板能量提取效率以及分布式微逆變器。

　　功率驅動(dòng)：MOSFET/IGBT

　　無(wú)論是太陽(yáng)能還是風(fēng)能，都需要通過(guò)功率變換才能接入電網(wǎng)或對用電器供電。功率變換中根據不同功率會(huì )采用IGBT，MOSFET和高速二極管作為功率變換的主要器件。針對光伏市場(chǎng)，飛兆半導體擁有高電壓超結MOSFET、中電壓MOSFET、場(chǎng)截止IGBT、功率整流器，以及SPM組件等一系列產(chǎn)品?！盀榱藵M(mǎn)足高輸入電壓以獲得更高效率的需求，必須使用650V或以上的MOSFET/IGBT。此外還需要使用SiCSBD作為套件解決方案。另外，要擴大10kW以上的市占率，就必須使用IGBT或SPM模塊?！憋w兆半導體高級副總裁金臺勛指出。對于15kW以下的太陽(yáng)能逆變器，飛兆半導體主推場(chǎng)截止IGBT 和超結MOSFET分立式解決方案。目前的市場(chǎng)以性能為主導，這些器件具有更低的傳導損耗與開(kāi)關(guān)損耗，及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。而在600V FS IGBT和600V SuperFET1/SupreMOS方面，飛兆目前提供種類(lèi)廣泛的產(chǎn)品線(xiàn)。除此之外，下一代產(chǎn)品如SuperFET2和場(chǎng)截止溝槽式IGBT也會(huì )在2011年內相繼推出。

　　相對于太陽(yáng)能，風(fēng)電系統需要更大的功率以提高資源利用率，這就需要更大電流、更高電壓的功率半導體器件。英飛凌科技（中國）有限公司家電及工業(yè)功率器件市場(chǎng)經(jīng)理陳子穎表示，“英飛凌在風(fēng)電變流器領(lǐng)域擁有各種解決方案，如大電流模塊IHM，其最大電流可達3600A，電壓達1700V；采用EconoPack 3和EconoDUAL 3封裝的IGBT4產(chǎn)品。采用PrimePack封裝的模塊則成為風(fēng)電變流器市場(chǎng)的新寵?！边@些新技術(shù)的應用會(huì )使得風(fēng)電變流器的可靠性，壽命會(huì )提高， 成本也會(huì )降低。

　　另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是可再生能源在汽車(chē)電子方面的應用。目前電動(dòng)車(chē)電池的續航能力是業(yè)界所面臨的一大挑戰?！澳壳爸饕袃煞N方式來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的電池效率，一種是主動(dòng)式電池均衡技術(shù)，另一種是被動(dòng)式均衡技術(shù)。目前業(yè)界主要采用的是被動(dòng)均衡?！睆堃珡姳硎?。被動(dòng)均衡的缺點(diǎn)就在于只能在充電時(shí)進(jìn)行均衡，不能在放電時(shí)均衡也不能在電池間均衡，而主動(dòng)均衡則在充、放電時(shí)都可以進(jìn)行電池均衡?！澳壳?，國半已經(jīng)推出了基于被動(dòng)均衡技術(shù)的產(chǎn)品?！睆堃珡娭赋?。

　　新能源汽車(chē)的馬達驅動(dòng)有別于一般的通用變頻器，它的工作氣候環(huán)境比較惡劣，負載大小隨著(zhù)啟動(dòng)，加速，減速而不斷變化，這對模塊的壽命和可靠性有很大影響。需要采用高可靠性的模塊工藝，以提高芯片的功率端子之間聯(lián)接線(xiàn)及襯底與基板承受熱疲勞的能力，“我們第四代IGBT功率周次提高了四倍，PrimePACK和EconoDual等模塊溫度周次比工業(yè)級大電流模塊IHM提高了四到五倍?！标愖臃f表示。

　　本文小結

　　中國在發(fā)展可再生能源方面處于全球領(lǐng)先地位，其太陽(yáng)能（太陽(yáng)能面板）和風(fēng)能設備的產(chǎn)出占據世界總量的35%，但目前中國本土市場(chǎng)的應用則還有很大的挖掘空間。發(fā)展可再生能源技術(shù)是中國下一個(gè)“五年計劃”中的重要一筆，這可能為未來(lái)五年的全球市場(chǎng)設定了基調，而日本的核危機更是讓業(yè)界的目光再度集中在可再生能源這一市場(chǎng)。