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2020年08月26日 | 宽禁带器件为什么适合太阳能发电应用
2020-08-26 来源：EEWORLD
在使用的各种形式的可再生能源中，太阳能和风力发电已成为最经常使用的能源，并承担了大部分清洁、可再生能源发电的责任。在这里，安森美产品线经理Brandon Becker解释了宽禁带半导体如何帮助太阳能发电更有效率。
在太阳能和风能中，太阳能正成为主导技术，其发电量几乎是风力发电量的两倍。事实上，2017年部署的太阳能发电能力已经超过同期化石燃料发电总量——这是全球向清洁、可再生能源转变的重要里程碑。
太阳能发电的发展有着巨大的市场机遇，因为它目前只占全球总发电量的12%（相当于500GW）。亚太地区是领先的地区，拥有全球一半以上的比率，中国占全球太阳能部署的三分之一。欧洲目前的产能占全球的四分之一多一点，而美国则有六分之一左右。
太阳能的快速增长（有人估计其复合年增长率约为30%）是由三个主要因素驱动的：对更多电力的持续需求、技术的进步以及政府的监管和举措。光伏板正在不断改进，以更有效地将阳光转化为电能，并从更小的表面积产生更多的电能，使住宅设施更有效。
各国政府正在制定鼓励太阳能增长的政策，例如中国声明，到2020年，清洁能源必须满足其20%的能源需求。欧盟在“20-20-20”目标中对此做了进一步的阐述，他们表示，到2020年，能源效率将提高20%，二氧化碳排放量将减少20%，20%的能源将来自可再生能源。
太阳能技术解析
光伏电池板产生直流电压，当与直流/直流充电器一起使用时，可用于“离网”电源，为储量的电池组充电。然而，大多数设备需要交流电源，因此，在许多系统中，逆变器从光伏板电压产生交流电压是必不可少的。这种方法被称为“并网”，因为交流电可以重新连接到电网中，这为房主们提供了一个机会，可以将电力卖给发电公司，以抵消他们的消耗。
在逆变器尺寸方面，趋势是从容量超过100kW的大功率中央逆变器，转向每个容量高达100kW的多串逆变器。这些系统的核心是DC/DC升压变换器和DC/AC逆变器，它们从来自光伏板的直流电压中产生交流电源电压（和频率）。除此之外，还有一系列精密的监控、控制和保护电路，以确保系统的安全和高效运行。
效率是任何太阳能光伏系统的关键目标之一，这样就不会浪费能源，也不会产生多余热量。系统效率越高，散热片、风扇和其他硬件所需的冷却就越少，从而降低了系统的尺寸、重量和成本。
宽禁带技术的优势
大多数的开关元件，如开关二极管，以及开关管，通常都是由硅制成的。由于这些器件对太阳能发电系统的效率至关重要，因此，领先的半导体公司，如安森美等，已投入大量资金，不断提高性能。然而，该行业如今的局面是硅器件几乎不可能有进步的空间。因此，基于宽禁带（WBG）材料（包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC））的开关器件被认为是实现未来太阳能发电系统所需关键。
SiC开关器件有时被称为“可以解决所有电力工程师的问题”，在几个关键领域提供了增强的性能。在静态应用中，当完全接通时，其固有的较低电阻可提供较低的损耗，因此，在运行期间产生的热量较少。
在现代开关电源应用中，工程师们的目标是提高开关频率，这反过来又允许他们减小磁性元件的尺寸，如电感器和变压器。这种方法减少了许多逆变器设计中存在的浪涌电流。对于硅基MOSFET来说，每个开关周期所需的栅电荷相对较大，因此，随着频率的增加，动态损耗也随之增大。
对于SiC器件，动态开关损耗要小得多，这使得可以使用更高的开关频率，同时仍然可以获得性能的改善（和尺寸减小）。相比之下，在80kHz下工作时，典型的SiC二极管比硅二极管的损耗小73%。在大功率太阳能发电系统中，约3%的效率增益就能带来显著的性能改进。
仍然有一种看法认为，碳化硅解决方案是昂贵的。事实并非如此，但是，尽管这些设备在商业上已经有一段时间了，但由于系统商往往关注单个设备的成本而不是整个系统的成本或总拥有成本，因此采用率低于预测。
如果我们考虑一个基于硅的30kw功率解决方案，90%的成本来自电感和电容（分别为60%和30%）。半导体器件只占BOM总成本的10%。虽然单个SiC器件的成本高于其对应的硅器件，但使用SiC开关可使电容和电感值降低75%，从而显著降低成本，抵消了开关元件的成本增加。因此，太阳能发电系统用碳化硅解决方案的总BOM成本已经达到甚至低于硅器件，并且具有显著的性能收益。
现代SiC宽禁带解决方案
包括安森美在内的领先半导体制造商提供了一系列电源节能解决方案，包括先进的基于SiC的设备，可提高太阳能发电系统的性能。先进的栅极驱动器是专门为与SiC MOSFET一起使用而优化的，并提供最大允许的栅极电压，以确保它们完全开启，从而将损耗降至最低。
SiC MOSFET，如安森美的NVHL080N120SC1，其导通电阻（RDS（ON））仅为80 mOhm，低栅电荷（QG）和电容值可降低EMI并允许使用更快的开关频率，实现所述的优点。SiC肖特基二极管，如1200V，30A FFSH30120A，没有反向恢复电流和温度无关的开关特性，这使得它们适合用于先进的太阳能应用。
总结
太阳能正在成为未来的一种重要能源，因为它提供了一种可持续的解决方案，同时也是环境友好的。价格下跌、政府政策和减少二氧化碳排放量的需要共同推动了该行业的强劲增长。
效率是设计和制造小型、高可靠性系统的关键，而基于硅的解决方案已经达到了其进化潜力的极限，现在宽禁带技术正在超越这些解决方案。基于SiC的器件可以提供更低的损耗，并且可以在更高的温度和更快的工作频率下工作，这反过来又大大降低了影响BOM的电感器和电容器的尺寸和成本。因此，这些高效可靠的系统能够以低于其硅器件前代产品的价格进行设计。
史海拾趣
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