太阳能并网发电系统对半导体器件的需求分析

太阳能并网发电系统对半导体器件的需求分析

　太阳能逆变器是整个太阳能发电系统的关键组件。它把光伏单元可变的直流电压输出转换为清洁的50Hz或60Hz的正弦电压源，从而为商用电网或本地电网供电。因为太阳电池板的光电转换效率可能受到阳光照射的角度、云层、阴影或气候条件的影响，所以，太阳能发电系统必须把不断变化的直流电转换为经过很好调整的交流电源。对充电电池的最大输出功率应出现在光伏电池的电压和电流积的峰值处，如图1所示。

　　为了实现最大功率点输出的跟踪(MPPT)，微控制器要运行MPPT算法，以调节太阳能电池板的方向、输出的直流电压和电流，使之获得峰值功率输出，就需要采用微控制器以及传感器来跟踪太阳方位角以及高度角。

　　目前，在自适应太阳方位角、高度角以及辐射强度的跟踪系统中，组成部件包括辐射强度传感器、跟踪传感器、自动控制芯片、步进电机和细分驱动器、机械传动机构及集能平台等几部分。对于风能/太阳能一体化的发电系统，还要检测光伏阵列的输出电压/电流、跟踪光强、环境光强、蓄电池充电电流/电压、逆变器的输出交流电流、交流电压、环境温度、蓄电池温度、光伏阵列温度、太阳方位角、高度角和风速。因此，对微控制器的数据采集能力以及A/D转换以及处理提出了很高的要求。

在大规模部署的太阳能并网发电厂中，光伏电池板的数量很大，为此，TI公司提出了“微型逆变器”的概念，它既能够在较宽的范围内扫描各个独立的太阳能电池板的峰值功率点，避免把局部峰值作为MPP点，同时，又能够提高最大功率点输出跟踪的效率。TI提出的这种系统的架构如图2所示。从中可看到，对于DC/DC转换器、DC/AC转换器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

　　微型逆变器的特点就是每一块光伏电池板有它自己独立的逆变器系统，这种拓扑的主要好处是太阳能发电站的光伏阵列能够持续的输出电力，既使当其中一个逆变器功能失常的时候。此外，因为每一块太阳能系统能够利用高分辨率的PWM算法来调节转换参数，让系统能够随时根据负载的变化而进行调节，并利用片上外设如SPI、UART等接口实现各个微型逆变器之间的数据交换，因此，就有可能为每一个光伏电池板以及整个发电站系统提供最优化的转换效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是为太阳能电池板提供更高的工作效率以及控制功能而设计的，微型逆变器能够最大限度地提高每个单电池板的功率输出。

给太阳能逆变器选择微控制器的原则包括：低的成本目标以满足大量部署的需求;小的形状因子;齐全的控制功能;与各个微型逆变器的控制器实现数据交换的能力;强大的并行运算能力;与模拟器件如电流和电压传感器接口，以实现系统峰值功率实时监测的能力;内置A/D转换器;太阳能接地漏电流检测能力;对太阳能电池板转向电机进行控制的能力。

　　用于太阳能逆变器的功率器件

　　在太阳能逆变器的设计中，常用的IGBT分别为平面型IGBT和沟道型IGBT。在平面型IGBT中，多晶硅栅极是呈“平面”分布或者相对于p+体区是水平分布的。在沟道型IGBT中，多晶硅栅极是以“沟道方式向下”进入p+体区。这种结构有一个优点，就是可以减小通道对电子流的阻力并消除电流拥挤现象，因为此时电子垂直地在通道中流过。在平面型IGBT中，电子以某种角度进入通道，引起电流拥挤，从而增加电子流的阻力。在沟道型IGBT中，电子流的增强使Vce(on)大幅度降低。

　　除了降低Vce(on)外，通过将IGBT改成更薄的结构可以降低开关能量。结构越薄则空穴-电子复合速度就越快，这降低了IGBT关断时的拖尾电流。为保持相同的耐击穿电压能力，在沟道型IGBT内构造了一个n场阻止层，以便在IGBT上的电压增大时，阻止电场到达集电极区域。这样实现的更低的传导能量和开关能量允许逆变器的尺寸更小，或者相同尺寸逆变器的功率密度更大。

　　在太阳能发电系统中太阳能电池板需要串联或并联工作，太阳能模块产生的直流电压在几百伏的数量级，如600V或1200V。上述最新的IGBT技术使得针对20kHz开关应用的最新一代600V沟道型IGBT得以实现。以IR公司采用全桥拓扑构建的500W直流/交流逆变器演示板为例，通过测量所降低功耗表明，采用新型经优化的沟道型IGBT器件，可使散热片温度降低16%。功耗的降低使IGBT的效率比前一代IGBT器件提高了近30%。

　　一般来说，在直流/交流逆变器系统设计中，选择IGBT器件的基本准则是提高转换效率、降低系统散热片的尺寸、提高相同电路板上的电流密度。目前，市场上多家公司提供用于太阳能逆变器的功率器件，其中，包括IR、英飞凌、ST、飞兆半导体、Vishay、Microsemi、东芝等公司。

　　典型的并网发电系统

　　尽管太阳能资源是无穷尽的，每秒钟到达地球表面的太阳光能量高达80万千瓦，但是，由于太阳光辐射密度太低，导致太阳能电池的转换效率非常低，所以，提升把太阳能电池收集的直流电转化为交流电的太阳能逆变器的效率，对于提升太阳能发电效率就显得至关重要。高效率且具有成本效益的逆变器成为评定太阳能发电系统优劣的关键指标。未来的发展关键以及竞争的焦点在于提高光电转换效率。

专家预言，因受到部署大规模太阳能发电厂的需求刺激，在未来的五年内，三相中央逆变器系统的市场预计将有非常好的市场表现。从技术趋势上看，Triphase NV公司的逆变器专家J. Van den KeyBus指出，未来的三相逆变器将由逆变器控制单元、IGBT逆变器、PWM发生器、ADC、死区保护电路、以太网、联网个人电脑等部分组成，如图3所示。建设这种系统的目的在于实现太阳能电池组并网向电网供电，并借助于联网控制来实现跟踪峰值功率点来实现最高效率的太阳能并网发电。

　　从图3可见，太阳能并网发电系统将对下列系统和器件产生巨大的需求：

　　(1) 电网管理网络系统;

　　(2) 以太网端口;

　　(3) AD转换器;

　　(4) PWM发生器;

　　(5) 逆变器控制器;

　　(6) IGBT模块以及逆变器;

　　(7) 太阳能电池板方位角和高度角转向电机及其控制装置;

从功率分立器件来看，随着太阳能并网发电站规模的增大，采用1200V IGBT将是未来的发展趋势。针对各种不同规格的逆变器的需求，IGBT模块呈现集成度越来越高的发展趋势。

　　值得关注的是，为了获得更高的转换效率，采用SiC二极管来设计太阳能逆变器系统是最新的发展趋势。原因在于：(1) SiC的导热率是砷化镓的几倍，也超过了Si的三倍，这将可以制造出更高电流密度的器件;(2) SiC的击穿电场几乎是Si击穿电场的十倍，所以，采用SiC的相同设计将获得硅元件十倍的额定击穿电压，因此，有可能开发出非常高电压的肖特基二极管;(3) SiC是一种宽能带材料，因此，相对于任何硅器件而言，SiC可在高得多的温度下工作。

　　此外，因为太阳能微型逆变器需要监测电流、电压、温度等模拟参数，具有模拟和数字混合信号处理能力的微控制器有望在这里找到用武之地。

　　利用新材料提高光电转换效率

　　太阳能电池为未来大规模发电提供了巨大商机，但目前大部分太阳能电池的输出功率相对较低，典型的输出效率在15%%左右。

　　“太阳每天产生的太阳能为165,000太瓦特(TeraWatt)，我们只要能从中获取极小的一部分能量，就能朝解决能源危机问题迈进一大步”，IMCE首席运营官Luc Van den hove表示，“我们现在面临的最大技术挑战是如何降低电阳能电池的成本和提高其效率。” IMEC的太阳能电池开发计划的计划表是，到2011年120微米晶硅电池的效率有望达到20%;到2015年，厚度为80微米的晶硅太阳能电池的效率将高于20%。其技术的发展思路是，提高材料的吸收系数，使之接近太阳能光谱的最大光子通量，并具有较高迁移率。此外，通过采用旋涂工艺涂覆该材料，改善其薄膜形貌，从而提高载流子迁移率和可重复性。

　　另一方面，荷兰戴夫特理工大学和物质基础研究基金会研究人员指出，非常小的特定半导体晶体会产生电子的“雪崩效应”。在传统的太阳能电池中，1个光子只能精确地释出1个电子，而在某些半导体纳米晶体中，1个光子可释出2个或3个电子，这就是所谓的“雪崩效应”。这些释出的自由电子能够确保太阳能电池运作并提供电力。释出的电子越多，太阳能电池的输出功率也越大。这种物理效应为生产廉价的、高输出功率的太阳能电池铺平了道路，从而有望利用半导体纳米晶体(晶体尺寸在纳米范围内)来制造新型太阳能电池。此次的新发现表明，理论上由半导体纳米晶体组成的太阳能电池的最大输出能源效率将可能达到44%，同时有助于减少生产成本。

　　此外，IBM不久前声称他们已经在实验室实现了从1平方厘米的太阳能电池板上提取230W的能量，并最终获得70W可用电力的技术。其技术细节不祥。