太陽能並網發電係統的中心議題：

• 並網發電係統對半導體器件的需求分析
• 典型太陽能並網發電係統
• 太陽能並網發電係統的解決方案：

太陽能逆變器是太陽能發電係統關鍵

• IGBT用於太陽能逆變器設計
• 利用新材料提高光電轉換效率

太陽能逆變器是整個太陽能發電係統的關鍵組件。它把光伏單元可變的直流電壓輸出轉換為清潔的50Hz或60Hz的正弦電壓源，從而為商用電網或本地電網供電。因為太陽電池板的光電轉換效率可能受到陽光照射的角度、雲層、陰yin影ying或huo氣qi候hou條tiao件jian的de影ying響xiang，所suo以yi，太tai陽yang能neng發fa電dian係xi統tong必bi須xu把ba不bu斷duan變bian化hua的de直zhi流liu電dian轉zhuan換huan為wei經jing過guo很hen好hao調tiao整zheng的de交jiao流liu電dian源yuan。對dui充chong電dian電dian池chi的de最zui大da輸shu出chu功gong率lv應ying出chu現xian在zai光guang伏fu電dian池chi的de電dian壓ya和he電dian流liu積ji的de峰feng值zhi處chu
，如ru圖tu1所示。

為了實現最大功率點輸出的跟蹤(MPPT)，微控製器要運行MPPT算法，以調節太陽能電池板的方向、輸出的直流電壓和電流，使之獲得峰值功率輸出，就需要采用微控製器以及傳感器來跟蹤太陽方位角以及高度角。

目前，在自適應太陽方位角、高度角以及輻射強度的跟蹤係統中
，組成部件包括輻射強度傳感器、跟蹤傳感器
、自動控製芯片、步進電機和細分驅動器
、機械傳動機構及集能平台等幾部分。對於風能/太陽能一體化的發電係統，還要檢測光伏陣列的輸出電壓/電流、跟蹤光強
、環境光強、蓄電池充電電流/電壓、逆變器的輸出交流電流
、交流電壓、環境溫度
、蓄電池溫度
、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風速。因此，對微控製器的數據采集能力以及A/D轉換以及處理提出了很高的要求。

在大規模部署的太陽能並網發電廠中，光伏電池板的數量很大，為此
，TI公司提出了“微型逆變器”的概念，它既能夠在較寬的範圍內掃描各個獨立的太陽能電池板的峰值功率點
，避免把局部峰值作為MPP點，同時，又能夠提高最大功率點輸出跟蹤的效率。TI提出的這種係統的架構如圖2所示。從中可看到
，對於DC/DC轉換器、DC/AC轉換器以及控製器
、通信接口的需求也非常大。

微(wei)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)特(te)點(dian)就(jiu)是(shi)每(mei)一(yi)塊(kuai)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)板(ban)有(you)它(ta)自(zi)己(ji)獨(du)立(li)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)係(xi)統(tong)，這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)的(de)主(zhu)要(yao)好(hao)處(chu)是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)站(zhan)的(de)光(guang)伏(fu)陣(zhen)列(lie)能(neng)夠(gou)持(chi)續(xu)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)力(li)
，既(ji)使(shi)當(dang)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)逆(ni)變(bian)器(qi)功(gong)能(neng)失(shi)常(chang)的(de)時(shi)候(hou)。此(ci)外(wai)
，因(yin)為(wei)每(mei)一(yi)塊(kuai)太(tai)陽(yang)能(neng)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)利(li)用(yong)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)PWM算法來調節轉換參數
，讓係統能夠隨時根據負載的變化而進行調節，並利用片上外設如SPI
、UART等接口實現各個微型逆變器之間的數據交換，因此，就有可能為每一個光伏電池板以及整個發電站係統提供最優化的轉換效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是為太陽能電池板提供更高的工作效率以及控製功能而設計的，微型逆變器能夠最大限度地提高每個單電池板的功率輸出。

給太陽能逆變器選擇微控製器的原則包括：低的成本目標以滿足大量部署的需求;小的形狀因子;齊全的控製功能;與各個微型逆變器的控製器實現數據交換的能力;強大的並行運算能力;與模擬器件如電流和電壓傳感器接口，以實現係統峰值功率實時監測的能力;內置A/D轉換器;太陽能接地漏電流檢測能力;對太陽能電池板轉向電機進行控製的能力。
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用於太陽能逆變器的功率器件

在太陽能逆變器的設計中，常用的IGBT分別為平麵型IGBT和溝道型IGBT。在平麵型IGBT中
，多晶矽柵極是呈“平麵”分布或者相對於p+體區是水平分布的。在溝道型IGBT中
，多晶矽柵極是以“溝道方式向下”進入p+體區。這種結構有一個優點，就是可以減小通道對電子流的阻力並消除電流擁擠現象，因為此時電子垂直地在通道中流過。在平麵型IGBT中

，電子以某種角度進入通道，引起電流擁擠，從而增加電子流的阻力。在溝道型IGBT中
，電子流的增強使Vce(on)大幅度降低。

除了降低Vce(on)外
，通過將IGBT改成更薄的結構可以降低開關能量。結構越薄則空穴-電子複合速度就越快

，這降低了IGBT關斷時的拖尾電流。為保持相同的耐擊穿電壓能力，在溝道型IGBT內構造了一個n場阻止層，以便在IGBTshangdedianyazengdashi，zuzhidianchangdaodajidianjiquyu。zheyangshixiandegengdidechuandaonenglianghekaiguannengliangyunxunibianqidechicungengxiao
，huozhexiangtongchicunnibianqidegonglvmidugengda。

在太陽能發電係統中太陽能電池板需要串聯或並聯工作


，太陽能模塊產生的直流電壓在幾百伏的數量級，如600V或1200V。上述最新的IGBT技術使得針對20kHz開關應用的最新一代600V溝道型IGBT得以實現。以IR公司采用全橋拓撲構建的500W直流/交流逆變器演示板為例，通過測量所降低功耗表明，采用新型經優化的溝道型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%。

一般來說
，在直流/交流逆變器係統設計中，選擇IGBT器件的基本準則是提高轉換效率、降低係統散熱片的尺寸、提高相同電路板上的電流密度。目前

，市場上多家公司提供用於太陽能逆變器的功率器件
，其中，包括IR
、英飛淩、ST、飛兆半導體
、Vishay、Microsemi、東芝等公司。

典型的並網發電係統

盡管太陽能資源是無窮盡的，每秒鍾到達地球表麵的太陽光能量高達80萬千瓦，但是，由於太陽光輻射密度太低，導致太 陽yang能neng電dian池chi的de轉zhuan換huan效xiao率lv非fei常chang低di，所suo以yi

，提ti升sheng把ba太tai陽yang能neng電dian池chi收shou集ji的de直zhi流liu電dian轉zhuan化hua為wei交jiao流liu電dian的de太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi的de效xiao率lv，對dui於yu提ti升sheng太tai陽yang能neng發fa電dian效xiao率lv就jiu顯xian得de至zhi關guan重zhong要yao。高gao效xiao率lv且qie具ju有you成cheng本ben效xiao益yi的de逆ni變bian器qi成cheng為wei評ping定ding太tai 陽能發電係統優劣的關鍵指標。未來的發展關鍵以及競爭的焦點在於提高光電轉換效率。

zhuanjiayuyan，yinshoudaobushudaguimotaiyangnengfadianchangdexuqiuciji，zaiweilaidewuniannei，sanxiangzhongyangnibianqixitongdeshichangyujijiangyoufeichanghaodeshichangbiaoxian。congjishuqushishangkan

，Triphase NV公司的逆變器專家J. Van den KeyBus指出，未來的三相逆變器將由逆變器控製單元、IGBT逆變器、PWM發生器、ADC、死區保護電路、以太網、聯網個人電腦等部分組成，如圖3所(suo)示(shi)。建(jian)設(she)這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)的(de)目(mu)的(de)在(zai)於(yu)實(shi)現(xian)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)組(zu)並(bing)網(wang)向(xiang)電(dian)網(wang)供(gong)電(dian)，並(bing)借(jie)助(zhu)於(yu)聯(lian)網(wang)控(kong)製(zhi)來(lai)實(shi)現(xian)跟(gen)蹤(zong)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)點(dian)來(lai)實(shi)現(xian)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)並(bing)網(wang)發(fa)電(dian)。

從圖3可見，太陽能並網發電係統將對下列係統和器件產生巨大的需求：
(1) 電網管理網絡係統;
(2) 以太網端口;
(3) AD轉換器;
(4) PWM發生器;
(5) 逆 變器控製器;
(6) IGBT模塊以及逆 變器;
(7) 太 陽能電池板方位角和高度角轉向電機及其控製裝置;

從功率分立器件來看，隨著太陽能並網發電站規模的增大，采用1200V IGBT將是未來的發展趨勢。針對各種不同規格的逆 變器的需求，IGBT模塊呈現集成度越來越高的發展趨勢。
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值得關注的是
，為了獲得更高的轉換效率
，采用SiC二極管來設計太陽能逆變器係統是最新的發展趨勢。原因在於：(1) SiC的導熱率是砷化镓的幾倍，也超過了Si的三倍，這將可以製造出更高電流密度的器件;(2) SiC的擊穿電場幾乎是Si擊穿電場的十倍

，所以，采用SiC的相同設計將獲得矽元件十倍的額定擊穿電壓，因此，有可能開發出非常高電壓的肖特基二極管; (3) SiC是一種寬能帶材料，因此，相對於任何矽器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。

此外
，因為太陽能微型逆變器需要監測電流、電壓
、溫度等模擬參數，具有模擬和數字混合信號處理能力的微控製器有望在這裏找到用武之地。

利用新材料提高光電轉換效率
　　
太陽能電池為未來大規模發電提供了巨大商機，但目前大部分太陽能電池的輸出功率相對較低，典型的輸出效率在15%%左右。

“太陽每天產生的太 陽能為165,000太瓦特(TeraWatt)，我們隻要能從中獲取極小的一部分能量，就能朝解決能源危機問題邁進一大步”，IMCE首席運營官Luc Van den hove表示
，“我們現在麵臨的最大技術挑戰是如何降低電陽能電池的成本和提高其效率。” IMEC的太陽能電池開發計劃的計劃表是，到2011年120微米晶矽電池的效率有望達到20%;到2015年，厚度為80微米的晶矽太陽能電池的效率將高於20%。其qi技ji術shu的de發fa展zhan思si路lu是shi，提ti高gao材cai料liao的de吸xi收shou係xi數shu，使shi之zhi接jie近jin太tai陽yang能neng光guang譜pu的de最zui大da光guang子zi通tong量liang
，並bing具ju有you較jiao高gao遷qian移yi率lv。此ci外wai
，通tong過guo采cai用yong旋xuan塗tu工gong藝yi塗tu覆fu該gai材cai料liao
，改gai善shan其qi薄bo膜mo形xing貌mao，從cong而er提ti高gao載zai流liu子zi遷qian移yi率lv和he可ke重zhong複fu性xing。

另一方麵，荷蘭戴夫特理工大學和物質基礎研究基金會研究人員指出
，非常小的特定半導體晶體會產生電子的“雪崩效應”。在傳統的太陽能電池中，1個光子隻能精確地釋出1個電子，而在某些半導體納米晶體中，1個光子可釋出2個或3個電子，這就是所謂的“雪崩效應”。這些釋出的自由電子能夠確保太 陽能電池運作並提供電力。釋出的電子越多，太陽能電池的輸出功率也越大。這種物理效應為生產廉價的
、高輸出功率的太 陽能電池鋪平了道路，從而有望利用半導體納米晶體(晶體尺寸在納米範圍內)來製造新型太 陽能電池。此次的新發現表明
，理論上由半導體納米晶體組成的太 陽能電池的最大輸出能源效率將可能達到44%，同時有助於減少生產成本。

此外
，IBM不久前聲稱他們已經在實驗室實現了從1平方厘米的太陽能電池板上提取230W的能量

，並最終獲得70W可用電力的技術。其技術細節不祥。

參考文獻：
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[2] 專家傾情解讀太陽能電池技術新發展[R/OL].www.eepw.com.cn/article/67704.htm
[3] 基於MPPT的智能太陽能充電係統研究[R/OL].www.eepw.com.cn/article/56593.htm
[4] 500W光伏並網逆變器設計[R/OL].www.eepw.com.cn/article/20976.htm
[5] 太陽能光伏發電係統的發展為半導體行業帶來新機會[R/OL].www.eepw.com.cn/article/73805.htm