太陽光伏能源的嶄新黎明

近些年來，在世界范圍內的政治和經濟領域中，人們對可再生能源態度的關注日益增加。雖然在去年全球經濟危機中，很多可再生能源項目被削減，但是太陽能設備未來幾年的安裝增長率預計可能在30%～40%之間（如圖1所示）。

圖1 太陽能安裝市場增長預期

　　這種增長將包括整個供電領域，從巨大的兆瓦級中心發電站到遍及全球的住宅屋頂太陽能發電系統。太陽能電池單體和功率電子器件的效率正不斷地攀升。同時，新型的系統拓撲架構和器件也持續將太陽能發電系統的性能提高到新的水平。

　　到目前為止，卓越的太陽能電池單體材料是單晶硅pn結單體（如圖2所示）。這是可以廣泛獲得的材料，而且能夠在眾多應用領域中取得成本和效率之間的折中。高功率的聚能器系統可以選擇使用效率高達25%的多結單體，但成本比較高。而低端系統可以選擇效率比較低的多晶或薄膜系統，但制造成本卻非常吸引人。

圖2 卓越的太陽能電池單體材料是單晶硅pn結

　　常規太陽能電池技術

　　典型的太陽能發電系統包括兩個功率單元（如圖3所示），前端單元是升壓轉換器，可以將太陽能面板輸出的電壓提升到直流總線電壓，該電壓必須足夠高以經過逆變器輸出到線路。

圖3 常規太陽能發電系統主要包括兩個功率單元

　　這個系統的輸入電源是太陽能電池單體陣列，它可能是一個平板、一串平板，或并聯和串聯在一起的組合平板。每個平板通常產生50～60V的電壓，然后串聯到一起來達到升壓轉換器所期望的直流電壓。

　　太陽能發電系統也具有一種最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking：MPPT）機制。任何太陽能電池單體或串聯的電池單體都具有功率最大時的輸出電壓，當輸出電壓降低時，電流不會增加以補償功率的恒定，否則，電壓升高時電流就會降落得太快。這就需要有一個計算單元用于計算電壓和電流的乘積，并確定其最大功率點，以此控制輸出電壓達到該值。

　　在串連的電池單體中，輸出電流是由串聯鏈路中輸出電流最低的那塊單體決定的。如果光照亮度發生變化，或者任何一個電池單體被部分遮擋了或變得透光不強了，所有其他電池單體的輸出電流也都將受到限制，從而使輸出達不到峰值功率。

　　有許多種方法可以彌補這種情況，完全依賴太陽能發電系統的設計類型。在大型的中心發電站，電池單體通常排列在沒有遮擋的開放區域，甚至會追蹤太陽在天空的角度，來在任何時候都能夠維持最大的直接光照。

　　然而，在稍微小一些的太陽能發電系統中，太陽能電池陣列能夠以不同的角度重新排列來獲得最大最直接的光照。在這種情況下，整個陣列被劃分為不同的區域，每個區域可以獨立工作，它們輸出的直流電壓可以疊加。控制器能夠將電流輸入到輸出功率較低的區域來平衡和優化整個太陽能電池陣列的輸出電流。

　　新技術開發

　　在光伏能源領域，一種被稱為微型逆變器的新發明是非常有前途的，這是因為它可以提高安裝的效率，并有助于充分利用從每個面板所獲得的所有能量。在美國，小型到中型設備的安裝非常普遍。因此，每片太陽能面板接有250～500W的逆變器，并將不同的直流輸入電壓轉換為固定的交流輸出電壓。

　　中心逆變器可以被設計成具有更窄輸入電壓范圍，更高驅動效率，因此輸出增益得到了倍增。這種設計的挑戰就是太陽能電池面板需要滿足苛刻的環境條件，能夠耐高溫和溫度循環沖擊。因此，利用像SuperMOS和Stealth二極管這類魯棒性非常好的半導體器件就能夠達到非常低的失效率。對于非隔離的單相工作形式，功率器件的耐壓通常需要達到600V。

　　另一種方法就是采用H橋接逆變器串聯形成合適的尺寸，并將每個逆變器的一相連接到串聯鏈路中下一個逆變器的另一相。通過這種方式，運用合適的控制技術，H橋接就可以形成多個逆變器的組合。由于每個太陽能電池面板在電氣上與下一個絕緣，它們的輸出就可以疊加在一起，并且功率器件的耐壓可以維持在低于100V的程度。

　　還有許多其他類型的拓撲結構也是可能用在光伏能源領域的，有一些已經在使用了。一種三級逆變器就是把IGBT和FET器件串聯在每個供電母線和線路之間，并在二者之間的分支上通過二極管鉗位到中性相上。由于這種逆變器本身的效率可以超過98%，所以在中到高功率應用中逐漸普及。

　　在更大的三相安裝形式中，還有另外一種流行的拓撲結構，就是中性點鉗位逆變器。它包括一個常規的IGBT逆變器橋，其每相都通過雙向IGBT開關連接到中性點。這種拓撲通常需要高功率、耐壓1200V的IGBT器件。

　　而另外一種拓撲結構的思想促進了電流源逆變器（如圖4所示）的出現，它超越了前面所描述的電壓源逆變器。這種拓撲結構的主要優點是不需要升壓單元和輸出功率到線路上的精細電壓控制電路。

圖4 電流源逆變器不需要升壓電路和電壓控制電路

　IGBT器件結構朝著更薄的硅襯底和溝道型柵極器件發展（如圖5所示）。具有很深n+緩沖和p+摻雜襯底（通孔類型）的基于EPI類型的早期器件已經被具有植入陽極（非通孔類型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩沖器和陽極的相對場截止薄型晶圓所代替。背面攙雜種類、退火條件和方法可以不同，而且包括擴散、快速熱退火和激光退火等。為了使這種結構的器件正常工作，晶圓被做得很薄，甚至放在手里都會彎曲（如圖5所示）。

圖5? IGBT器件結構的發展趨勢是更薄的硅襯底和采用溝道型柵極

　　最近十幾年，常規600V MOSFET管已經逐漸被稱之為超結點的一類MOSFET管所代替。它們通常在一個n型底層中由帶有埋藏p型層的多個外延n型層合并到一起來形成p型列。SupeRFET器件就屬于這類。最近，一種更新的工藝流程在效率和功率密度方面提供了空前的性能。更深的溝道蝕刻和外延填充可以制造出密度更高、電阻更低的FET管，稱之為SupreMOS器件。

　　使用DC/DC轉換器的太陽能發電系統可以利用中間電壓40～200V器件所提出的最新概念。目前可以獲得的器件的尺寸和導通電阻是常規溝道MOSFET管的一半。新技術使用充電平衡的方法來降低外延耗盡漂移區的電阻，以及一個屏蔽柵極來降低柵-漏電容，以此改善開關特性和降低損耗。

　　許多低于30kW的設計仍然使用可靠性高的分立晶體管，封裝采用TO220和TO247形式，或類似形式的。然而，功率范圍在100W～10kW之間、性能卓越的智能功率模塊也已經面市，并且可以在很大程度上減少系統設計的復雜性。

　　在橋接逆變器拓撲中，絕大部分模塊提供控制功率器件所必需的柵極電平升壓驅動電路。轉模封裝（Transfer-molded）的生產方法可以使太陽能設計工程師設計出高度更低、材料更少和成本更低的太陽能電池發電系統。

　　在新系統架構、控制方法和器件設計中的持續創新使得太陽能的利用效率更高。這些進步包括從全球政府部門對清潔能源的有力推動，使太陽能利用的前途真正變得光明。