太阳光伏能源的崭新黎明

太阳光伏能源的崭新黎明

近些年来，在世界范围内的政治和经济领域中，人们对可再生能源态度的关注日益增加。虽然在去年全球经济危机中，很多可再生能源项目被削减，但是太阳能设备未来几年的安装增长率预计可能在30%～40%之间（如图1所示）。

图1 太阳能安装市场增长预期

　　这种增长将包括整个供电领域，从巨大的兆瓦级中心发电站到遍及全球的住宅屋顶太阳能发电系统。太阳能电池单体和功率电子器件的效率正不断地攀升。同时，新型的系统拓扑架构和器件也持续将太阳能发电系统的性能提高到新的水平。

　　到目前为止，卓越的太阳能电池单体材料是单晶硅pn结单体（如图2所示）。这是可以广泛获得的材料，而且能够在众多应用领域中取得成本和效率之间的折中。高功率的聚能器系统可以选择使用效率高达25%的多结单体，但成本比较高。而低端系统可以选择效率比较低的多晶或薄膜系统，但制造成本却非常吸引人。

图2 卓越的太阳能电池单体材料是单晶硅pn结

　　常规太阳能电池技术

　　典型的太阳能发电系统包括两个功率单元（如图3所示），前端单元是升压转换器，可以将太阳能面板输出的电压提升到直流总线电压，该电压必须足够高以经过逆变器输出到线路。

图3 常规太阳能发电系统主要包括两个功率单元

　　这个系统的输入电源是太阳能电池单体阵列，它可能是一个平板、一串平板，或并联和串联在一起的组合平板。每个平板通常产生50～60V的电压，然后串联到一起来达到升压转换器所期望的直流电压。

　　太阳能发电系统也具有一种最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking：MPPT）机制。任何太阳能电池单体或串联的电池单体都具有功率最大时的输出电压，当输出电压降低时，电流不会增加以补偿功率的恒定，否则，电压升高时电流就会降落得太快。这就需要有一个计算单元用于计算电压和电流的乘积，并确定其最大功率点，以此控制输出电压达到该值。

　　在串连的电池单体中，输出电流是由串联链路中输出电流最低的那块单体决定的。如果光照亮度发生变化，或者任何一个电池单体被部分遮挡了或变得透光不强了，所有其他电池单体的输出电流也都将受到限制，从而使输出达不到峰值功率。

　　有许多种方法可以弥补这种情况，完全依赖太阳能发电系统的设计类型。在大型的中心发电站，电池单体通常排列在没有遮挡的开放区域，甚至会追踪太阳在天空的角度，来在任何时候都能够维持最大的直接光照。

　　然而，在稍微小一些的太阳能发电系统中，太阳能电池阵列能够以不同的角度重新排列来获得最大最直接的光照。在这种情况下，整个阵列被划分为不同的区域，每个区域可以独立工作，它们输出的直流电压可以叠加。控制器能够将电流输入到输出功率较低的区域来平衡和优化整个太阳能电池阵列的输出电流。

　　新技术开发

　　在光伏能源领域，一种被称为微型逆变器的新发明是非常有前途的，这是因为它可以提高安装的效率，并有助于充分利用从每个面板所获得的所有能量。在美国，小型到中型设备的安装非常普遍。因此，每片太阳能面板接有250～500W的逆变器，并将不同的直流输入电压转换为固定的交流输出电压。

　　中心逆变器可以被设计成具有更窄输入电压范围，更高驱动效率，因此输出增益得到了倍增。这种设计的挑战就是太阳能电池面板需要满足苛刻的环境条件，能够耐高温和温度循环冲击。因此，利用像SuperMOS和Stealth二极管这类鲁棒性非常好的半导体器件就能够达到非常低的失效率。对于非隔离的单相工作形式，功率器件的耐压通常需要达到600V。

　　另一种方法就是采用H桥接逆变器串联形成合适的尺寸，并将每个逆变器的一相连接到串联链路中下一个逆变器的另一相。通过这种方式，运用合适的控制技术，H桥接就可以形成多个逆变器的组合。由于每个太阳能电池面板在电气上与下一个绝缘，它们的输出就可以叠加在一起，并且功率器件的耐压可以维持在低于100V的程度。

　　还有许多其他类型的拓扑结构也是可能用在光伏能源领域的，有一些已经在使用了。一种三级逆变器就是把IGBT和FET器件串联在每个供电母线和线路之间，并在二者之间的分支上通过二极管钳位到中性相上。由于这种逆变器本身的效率可以超过98%，所以在中到高功率应用中逐渐普及。

　　在更大的三相安装形式中，还有另外一种流行的拓扑结构，就是中性点钳位逆变器。它包括一个常规的IGBT逆变器桥，其每相都通过双向IGBT开关连接到中性点。这种拓扑通常需要高功率、耐压1200V的IGBT器件。

　　而另外一种拓扑结构的思想促进了电流源逆变器（如图4所示）的出现，它超越了前面所描述的电压源逆变器。这种拓扑结构的主要优点是不需要升压单元和输出功率到线路上的精细电压控制电路。

图4 电流源逆变器不需要升压电路和电压控制电路

　IGBT器件结构朝着更薄的硅衬底和沟道型栅极器件发展（如图5所示）。具有很深n+缓冲和p+掺杂衬底（通孔类型）的基于EPI类型的早期器件已经被具有植入阳极（非通孔类型）的薄形、大体积晶圆和具有植入缓冲器和阳极的相对场截止薄型晶圆所代替。背面搀杂种类、退火条件和方法可以不同，而且包括扩散、快速热退火和激光退火等。为了使这种结构的器件正常工作，晶圆被做得很薄，甚至放在手里都会弯曲（如图5所示）。

图5  IGBT器件结构的发展趋势是更薄的硅衬底和采用沟道型栅极

　　最近十几年，常规600V MOSFET管已经逐渐被称之为超结点的一类MOSFET管所代替。它们通常在一个n型底层中由带有埋藏p型层的多个外延n型层合并到一起来形成p型列。SupeRFET器件就属于这类。最近，一种更新的工艺流程在效率和功率密度方面提供了空前的性能。更深的沟道蚀刻和外延填充可以制造出密度更高、电阻更低的FET管，称之为SupreMOS器件。

　　使用DC/DC转换器的太阳能发电系统可以利用中间电压40～200V器件所提出的最新概念。目前可以获得的器件的尺寸和导通电阻是常规沟道MOSFET管的一半。新技术使用充电平衡的方法来降低外延耗尽漂移区的电阻，以及一个屏蔽栅极来降低栅-漏电容，以此改善开关特性和降低损耗。

　　许多低于30kW的设计仍然使用可靠性高的分立晶体管，封装采用TO220和TO247形式，或类似形式的。然而，功率范围在100W～10kW之间、性能卓越的智能功率模块也已经面市，并且可以在很大程度上减少系统设计的复杂性。

　　在桥接逆变器拓扑中，绝大部分模块提供控制功率器件所必需的栅极电平升压驱动电路。转模封装（Transfer-molded）的生产方法可以使太阳能设计工程师设计出高度更低、材料更少和成本更低的太阳能电池发电系统。

　　在新系统架构、控制方法和器件设计中的持续创新使得太阳能的利用效率更高。这些进步包括从全球政府部门对清洁能源的有力推动，使太阳能利用的前途真正变得光明。