以創(chuàng)新半導體技術(shù)迎接可再生能源市場的爆發(fā)

　　可再生能源近年來已日益成為全球關(guān)注的焦點，但由于成本、效率、可靠性等多方面的因素，一直制約著可再生能源應用的普及。可這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)展太陽能、風能、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。

　　提升太陽能轉(zhuǎn)換效率

　　太陽能光伏是可再生能源中最具優(yōu)勢的一種方案：轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、資源蘊含量豐富、土地占用面積小……但設備轉(zhuǎn)換費用以及轉(zhuǎn)換效率仍是當今太陽能光伏面臨的兩大挑戰(zhàn)。由于太陽能光伏板的成本占整個光伏系統(tǒng)成本的70%以上，太陽能光伏板供貨商不斷致力提高太陽能光伏板的效率。太陽能光伏板上的陰影變化、污垢和光伏板老化等因素，都會對各個光伏板的電壓構(gòu)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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。簡單而言，它無需配置太陽能光伏板串聯(lián)，就可以在每塊光伏板上取得最佳功率點，減少陰影問題?？墒?，除了效率之外，影響光伏系統(tǒng)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關(guān)鍵因素。逆變器在現(xiàn)行的光伏系統(tǒng)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(qū)核心市場業(yè)務發(fā)展總監(jiān)張耀強表示，通過采用SolarMagic技術(shù)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)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去運行，即使串聯(lián)電池組內(nèi)有個別電池板發(fā)生故障也不會影響系統(tǒng)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。

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

　　圖1：單節(jié)光伏電池的典型最大功率點控制點

　　cell current：電池電流

　　maximum power point：最大功率點

　　cell voltage：電池電壓

　　cell performance：電池性能

　　因此，一個充電器設計要能從太陽能電池板高效率抽取能量，那么當光照強度不能滿足充電器的全部功率需求時，必須能控制電池板的輸出電壓，以將其引導到最大功率點上。“這就是凌力爾特（Linear）開發(fā)出面向太陽能供電應用2A電池充電器LT3652的原因?！绷枇柼毓倦娫串a(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong指出。該器件采用了一個輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，如果輸入電壓降至低于設定值（由一個簡單的分壓器網(wǎng)絡設定），那么該環(huán)路就降低充電電流。當由太陽能電池板供電時，輸入電壓調(diào)節(jié)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門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。通過串聯(lián)幾個LTC4070，可以給多節(jié)電池組成的電池組充電，并實現(xiàn)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(xù)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、具備份的太陽能供電系統(tǒng)、嵌入式汽車應用以及能量收集應用。

　能源采集方案

　　除了在提高能量轉(zhuǎn)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。我們周圍存在大量環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直利用太陽能電池板和風力發(fā)電機收集能量。不過，新的收集工具使我們能用種類繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。例如，熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換成電能，壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動能，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光（或任何光源）的光能，通過化學作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)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，而無需當?shù)仉娫?。凌力爾特就有一系列相關(guān)的能量收集產(chǎn)品，例如，自動極性熱能收集器LTC3109，；壓電能收集器LTC3588以及20mV熱能收集器LTC3108。

　　為了實現(xiàn)太陽能電池高能效的能量提取，恩智浦半導體（NXPSemiconductors）也推出了一款專門執(zhí)行最大功率點追蹤（MPPT）功能的低功耗集成電路MPT612，有效優(yōu)化太陽能應用的電力提取效率。恩智浦半導體大中華區(qū)市場總監(jiān)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利的MPPT算法時，它能幫助系統(tǒng)從一塊太陽能面板提取的能量比傳統(tǒng)的控制器要高出30％以上。

　　圖2：NXP的最大功率點追蹤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(nèi)的多個串行接口。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(shù)配置，并能夠發(fā)送輸出信號來控制外部開關(guān)。除太陽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(zhuǎn)換器用來提高太陽能電池板能量提取效率以及分布式微逆變器。

　　功率驅(qū)動：MOSFET/IGBT

　　無論是太陽能還是風能，都需要通過功率變換才能接入電網(wǎng)或?qū)τ秒娖鞴╇?。功率變換中根據(jù)不同功率會采用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，飛兆半導體擁有高電壓超結(jié)MOSFET、中電壓MOSFET、場截止IGBT、功率整流器，以及SPM組件等一系列產(chǎn)品。“為了滿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以下的太陽能逆變器，飛兆半導體主推場截止IGBT 和超結(jié)MOSFET分立式解決方案。目前的市場以性能為主導，這些器件具有更低的傳導損耗與開關(guān)損耗，及高可靠性等優(yōu)點。而在600V FS IGBT和600V SuperFET1/SupreMOS方面，飛兆目前提供種類廣泛的產(chǎn)品線。除此之外，下一代產(chǎn)品如SuperFET2和場截止溝槽式IGBT也會在2011年內(nèi)相繼推出。

　　相對于太陽能，風電系統(tǒng)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)功率器件市場經(jīng)理陳子穎表示，“英飛凌在風電變流器領(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電變流器市場的新寵?！边@些新技術(shù)的應用會使得風電變流器的可靠性，壽命會提高， 成本也會降低。

　　另一個值得關(guān)注的領(lǐng)域是可再生能源在汽車電子方面的應用。目前電動車電池的續(xù)航能力是業(yè)界所面臨的一大挑戰(zhàn)。“目前主要有兩種方式來提高電動汽車的電池效率，一種是主動式電池均衡技術(shù)，另一種是被動式均衡技術(shù)。目前業(yè)界主要采用的是被動均衡。”張耀強表示。被動均衡的缺點就在于只能在充電時進行均衡，不能在放電時均衡也不能在電池間均衡，而主動均衡則在充、放電時都可以進行電池均衡?！澳壳?，國半已經(jīng)推出了基于被動均衡技術(shù)的產(chǎn)品。”張耀強指出。

　　新能源汽車的馬達驅(qū)動有別于一般的通用變頻器，它的工作氣候環(huán)境比較惡劣，負載大小隨著啟動，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(jié)

　　中國在發(fā)展可再生能源方面處于全球領(lǐng)先地位，其太陽能（太陽能面板）和風能設備的產(chǎn)出占據(jù)世界總量的35%，但目前中國本土市場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“五年計劃”中的重要一筆，這可能為未來五年的全球市場設定了基調(diào)，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。