太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)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(dú)立的逆變器系統(tǒng)，這種拓?fù)涞闹饕锰幨?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/太陽(yáng)能">太陽(yáng)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(gè)逆變器功能失常的時(shí)候。此外，因?yàn)槊恳粔K太陽(yáng)能系統(tǒng)能夠利用高分辨率的PWM算法來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換參數(shù)，讓系統(tǒng)能夠隨時(shí)根據(jù)負(fù)載的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用片上外設(shè)如SPI、UART等接口實(shí)現(xiàn)各個(gè)微型逆變器之間的數(shù)據(jù)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(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(yáng)能電池板提供更高的工作效率以及控制功能而設(shè)計(jì)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(biāo)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(gè)微型逆變器的控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的能力;強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力;與模擬器件如電流和電壓傳感器接口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)峰值功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力;內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器;太陽(yáng)能接地漏電流檢測(cè)能力;對(duì)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向電機(jī)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(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)入p+體區(qū)。這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以減小通道對(duì)電子流的阻力并消除電流擁擠現(xiàn)象，因?yàn)榇藭r(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(qiáng)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(jié)構(gòu)可以降低開(kāi)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(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(nèi)構(gòu)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(dá)集電極區(qū)域。這樣實(shí)現(xiàn)的更低的傳導(dǎo)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(tǒng)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(shù)量級(jí)，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術(shù)使得針對(duì)20kHz開(kāi)關(guān)應(yīng)用的最新一代600V溝道型IGBT得以實(shí)現(xiàn)。以IR公司采用全橋拓?fù)錁?gòu)建的500W直流/交流逆變器演示板為例，通過(guò)測(cè)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(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇IGBT器件的基本準(zhǔn)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(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(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(yáng)能資源是無(wú)窮盡的，每秒鐘到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，但是，由于太陽(yáng)光輻射密度太低，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率非常低，所以，提升把太陽(yáng)能電池收集的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的太陽(yáng)能逆變器的效率，對(duì)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(píng)定太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。未來(lái)的發(fā)展關(guān)鍵以及競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)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(yáng)能發(fā)電廠的需求刺激，在未來(lái)的五年內(nèi)，三相中央逆變器系統(tǒng)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將有非常好的市場(chǎng)表現(xiàn)。從技術(shù)趨勢(shì)上看，Triphase NV公司的逆變器專家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(qū)保護(hù)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(shè)這種系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)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(xiàn)跟蹤峰值功率點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)將對(duì)下列系統(tǒng)和器件產(chǎn)生巨大的需求：