消費(fèi)者、行業(yè)和政府都在采取措施增加對(duì)可再生能源的使用。這正在重塑發(fā)電和配電系統(tǒng)，從主要集中的輪輻式架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦踊诰W(wǎng)格的本地化發(fā)電和消費(fèi)方法，并由智能電網(wǎng)互連支持，以平滑供需。

根據(jù)國(guó)際能源署 （IEA） 2019 年 10 月的燃料報(bào)告，到 2024 年，可再生能源發(fā)電容量將增長(zhǎng) 50%。這是額外的 1200GW 全球發(fā)電容量，相當(dāng)于美國(guó)目前的裝機(jī)容量。該報(bào)告預(yù)測(cè)，這一增長(zhǎng)的 60% 將以太陽(yáng)能光伏 （PV） 裝置的形式出現(xiàn)。

圖 1. 2019 年至 2024 年按技術(shù)劃分的可再生能源容量增長(zhǎng)

該報(bào)告還強(qiáng)調(diào)了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要性，因?yàn)橄M(fèi)者、商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施開(kāi)始自行發(fā)電。它預(yù)測(cè)，到 2024 年，分布式光伏總發(fā)電量將翻一番以上，超過(guò) 500GW。這意味著分布式光伏發(fā)電將占太陽(yáng)能光伏總增長(zhǎng)的近一半。

圖2.分布式光伏CAPAC我TY由段增長(zhǎng)，二零零七年至2024年

太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)

為什么太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源產(chǎn)能增長(zhǎng)中占據(jù)如此領(lǐng)先的地位？一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)照耀著我們所有人，因此它的能量非常廣泛可用。這對(duì)于通過(guò)使發(fā)電更接近消費(fèi)以及將電力輸送到離網(wǎng)地點(diǎn)來(lái)減少配電損失特別有用。

另一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能太多。計(jì)算地球從太陽(yáng)接收的能量有很多細(xì)微差別，但一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則表明，在晴朗的日子里，海平面上平均每平方米 1 千瓦，或每天每平方米 6 千瓦時(shí)?？紤]因素，例如晝夜循環(huán)、入射角、季節(jié)性等。

太陽(yáng)能電池利用光電效應(yīng)將這種作為光子流帶到地球的入射能量轉(zhuǎn)化為電能。光子被半導(dǎo)體材料（例如摻雜硅）吸收，它們的能量將電子激發(fā)出其分子或原子軌道。然后，這些電子可以自由地以熱量的形式耗散其額外的能量并返回其軌道，或者行進(jìn)到電極并成為電流的一部分，該電流流動(dòng)以中和因它們?cè)陔姌O上的存在而產(chǎn)生的電位差。

與所有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一樣，并非所有輸入太陽(yáng)能電池的能量都以優(yōu)選的電形式輸出。事實(shí)上，單晶硅太陽(yáng)能電池的效率多年來(lái)一直徘徊在 20% 到 25% 之間。然而，太陽(yáng)能光伏的機(jī)會(huì)如此巨大，以至于研究團(tuán)隊(duì)幾十年來(lái)一直致力于提高電池轉(zhuǎn)換效率，使用越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料，如這張來(lái)自 NREL 的圖表所示。

圖 3.全球最佳研究太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率– 1976 年至 2020 年 （NREL）（該圖由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供，Golden， CO。）

所示的更高效率通常是以使用多種不同材料和更復(fù)雜、更昂貴的制造技術(shù)為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

許多太陽(yáng)能光伏裝置依賴于各種形式的晶體硅或硅薄膜、碲化鎘或銅銦鎵硒，轉(zhuǎn)換效率在 20% 到 30% 之間。電池組裝成模塊，這些模塊設(shè)計(jì)為安裝人員在構(gòu)建太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)使用的基本單元。

效率挑戰(zhàn)

PV轉(zhuǎn)換將入射到地球表面每平方米的千瓦太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為200W至300W的電能。當(dāng)然，這是在理想條件下。電池表面沉積的雨、雪和灰塵、半導(dǎo)體材料的老化效應(yīng)以及環(huán)境變化（例如由于植被生長(zhǎng)或新建筑物的建造而增加陰影）都會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。

因此，實(shí)際情況是，雖然太陽(yáng)能是免費(fèi)的，但使用它來(lái)創(chuàng)造有用的電能涉及仔細(xì)優(yōu)化其捕獲、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換為電能的每個(gè)階段。提高效率的最大機(jī)會(huì)之一是逆變器的設(shè)計(jì)，該逆變器將太陽(yáng)能電池陣列（或其電池組）的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，用于直接消耗或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。

逆變器的工作原理是切換直流輸入電流的極性，使其接近交流輸出。開(kāi)關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換效率越高。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生方波輸出，這對(duì)于驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載是可以的，但其諧波會(huì)損壞設(shè)計(jì)為由純正弦波交流電供電的更復(fù)雜的電子設(shè)備。因此，逆變器設(shè)計(jì)成為在提高開(kāi)關(guān)頻率以提高效率、工作電壓和功率容量與最小化用于平滑方波的輔助組件的成本之間的平衡行為。

碳化硅的優(yōu)勢(shì)

碳化硅 （SiC）在太陽(yáng)能管理方面比硅具有多種材料優(yōu)勢(shì)，這源于帶隙，即使電子導(dǎo)電所需的能量幾乎是硅的三倍。這意味著 SiC 器件在發(fā)生故障之前將維持幾乎是硅的 10 倍的電場(chǎng)，從而使 SiC 器件能夠在比硅內(nèi)置的類似結(jié)構(gòu)高得多的電壓下高效運(yùn)行。SiC 器件還具有比硅低得多的導(dǎo)通電阻、柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，以及更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著 SiC 器件可以在比硅等效器件更高的電壓、頻率和電流下切換，同時(shí)更有效地管理熱量積聚。

SiC 用于制造在硅中不實(shí)用的器件。MOSFET 在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中受到青睞，因?yàn)樗鼈兪菃螛O器件，這意味著它們不使用少數(shù)載流子。硅雙極器件同時(shí)使用多數(shù)載流子和少數(shù)載流子，可以在比硅 MOSFET 更高的電壓下工作，但由于需要等待電子和空穴在切換時(shí)重新結(jié)合以及耗散重新結(jié)合的能量，因此它們的開(kāi)關(guān)速度變慢。

硅 MOSFET 廣泛用于高達(dá)約 300V 的開(kāi)關(guān)應(yīng)用，高于該值時(shí)，器件的導(dǎo)通電阻上升到設(shè)計(jì)人員必須轉(zhuǎn)向速度較慢的雙極替代方案的程度。SiC 的高擊穿電壓意味著它可用于構(gòu)建比硅材料更高電壓的 MOSFET，同時(shí)保留低電壓硅器件的快速開(kāi)關(guān)速度優(yōu)勢(shì)。開(kāi)關(guān)性能也相對(duì)獨(dú)立于溫度，從而在系統(tǒng)升溫時(shí)實(shí)現(xiàn)一致的性能。

由于功率轉(zhuǎn)換效率與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)，因此 SiC 既能夠處理比硅更高的電壓，又能夠以確保高轉(zhuǎn)換效率所需的高速開(kāi)關(guān)，從而成為雙重贏家。

SiC 的熱導(dǎo)率也是硅的三倍，因此可以在更高的溫度下運(yùn)行。硅在 175C 左右停止充當(dāng)半導(dǎo)體，并在 200C 左右成為導(dǎo)體，而 SiC 直到達(dá)到 1000C 左右才會(huì)發(fā)生這種情況?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式利用 SiC 的熱特性。首先，它可用于制造比等效硅系統(tǒng)需要更少冷卻的電源轉(zhuǎn)換器。或者，碳化硅在較高溫度下的持續(xù)運(yùn)行可用于在空間非常寶貴的情況下（例如車輛和蜂窩基站）制造非常密集的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

我們可以看到這些優(yōu)勢(shì)在功率升壓電路中發(fā)揮作用，使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率更高。該電路旨在將太陽(yáng)能電池陣列的輸出阻抗（隨入射光的水平而變化）與逆變器所需的輸入阻抗相匹配，以實(shí)現(xiàn)最有效的轉(zhuǎn)換。

圖 4：引入 SiC 器件以提高太陽(yáng)能升壓電路的效率 （ON Semiconductor）

最低成本的方法顯示在最左邊的圖表中，使用硅二極管和 MOSFET。第一個(gè)優(yōu)化，如中間圖所示，是用 SiC 版本替換硅二極管，這將增加電路的功率密度和轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)成本。用等效的 SiC 替換硅 MOSFET，如最右邊的圖表所示，為設(shè)計(jì)人員提供了更廣泛的開(kāi)關(guān)頻率選擇，進(jìn)一步提高了電路的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。

安森美半導(dǎo)體? SiC 肖特基二極管的額定值高達(dá) 1200V 和 20A，采用熟悉的 TO220 和 TO247 封裝。它還為模塊制造商提供額定電壓高達(dá) 1200V 和 50A 的裸片。

還有各種常見(jiàn)的 D2PAK 和 TO247 格式的 1200V SiC MOSFET，典型的 RDS On 數(shù)值低至 20mW。

該公司還銷售結(jié)合了硅 IGBT 和 SiC 二極管的混合模塊，例如這種功率集成模塊。它具有雙升壓級(jí)，由兩個(gè) 40A/1200V IGBT、兩個(gè) 15A/1200V SiC 二極管和兩個(gè)用于 IGBT 的 25A/1600V 反并聯(lián)二極管組成。兩個(gè)額外的 25A/1600V 旁路整流器限制浪涌電流，并且模塊還受到熱敏電阻的保護(hù)。

對(duì)于那些希望在太陽(yáng)能光伏裝置中利用 SiC 的人，安森美半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了一系列用于太陽(yáng)能逆變器的兩通道或三通道僅 SiC 升壓模塊。

與硅替代品相比，碳化硅功率器件具有許多優(yōu)勢(shì)，包括能夠高速切換高電壓和電流、低損耗和良好的熱性能。盡管它們目前在同類基礎(chǔ)上可能比硅等效物更昂貴（如果有硅替代品可用），但它們?cè)谙到y(tǒng)中的性能可以帶來(lái)節(jié)省，例如在冷卻復(fù)雜性方面，這足以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。然后是效率論據(jù)：如果部署 SiC 將 IEA 預(yù)計(jì)到 2024 年安裝的所有分布式太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率提高了 2%，那將創(chuàng)造驚人的 10GW 額外容量。

審核編輯：郭婷