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[轉載]碳化硅在分布式光伏發電逆變器上的絕佳應用案例

文章作者:poshing 上傳更新:2021-05-31

消費者、各行業及政府都在采取各項措施以增加對可再生能源的利用,這正在將發電和輸配電系統從中心化的電網轉換成更加智能化網格化的,支持本地發電的拓撲,并通過智能電網互連來平滑供需。

根據國際能源署(IEA)2019年10月的報告,到2024年,可再生能源發電量將增長50%。這意味著全球可再生能源發電量將增加1200GW,相當于美國目前的裝機量。該報告預測,可再生能源中約有60%將以太陽能光伏(PV)的形式出現。

可再生能源的增長

 

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圖1. 2019 – 2024年按技術分類的可再生能源產能增長

IEA報告還強調了分布式光伏發電系統的重要性,因為消費者,商業建筑和工業設施開始生產自己的電力。它預測,到2024年,分布式光伏發電總容量將翻一番以上,超過500GW。這意味著分布式光伏發電將占太陽能光伏總增長的近一半。

 

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圖2. 2007 – 2024年分布式光伏產能增長情況

光伏的優勢

為什么太陽能光伏發電在可再生能源容量的增長如此重要?一個明顯的原因是太陽能非常容易直接利用,尤其是偏遠地區或離網區域。另一個明顯的原因是太陽能很多,根據計算,海平面上,每平方米每天可產生1kW電力,如果考慮諸如日/夜周期,入射角,季節性等因素,每天每平方米或可以產生6kWh電量。

太陽能發電利用光電效應將入射光轉化為電能。光子被半導體材料(例如摻雜的硅)吸收,它們的能量將電子激發出其分子或原子軌道。然后,這些電子可將其多余的能量作為熱量散失并返回其軌道,或者傳播到電極并形成電流。

與所有能量轉換過程一樣,并非所有輸入太陽能電池的能量都以首選的電形式輸出。實際上,多年來,單晶硅太陽能電池的效率一直徘徊在20%至25%之間。但是,太陽能光伏發電的機會是如此巨大,以至于數十年來,研究團隊一直在努力使用日益復雜的結構和材料來提高電池轉換效率,如NREL的這張圖所示。

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圖3. 1976年至2020年全球研究太陽能電池的轉換效率的進展(NREL)(此圖由美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室提供)

通常,以使用多種不同材料和更復雜,更昂貴的制造技術為代價來實現所示的更高效率。

許多太陽能光伏設備依靠各種形式的多晶硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜,轉換效率在20%至30%的范圍內。單元內置在模塊中,這些模塊是太陽能光伏發電系統的基本單元。

效率挑戰

20%-30%是理想狀態,實際上轉換效率可能會因各種原因而降低轉換效率:降雨,積雪和灰塵沉積,材料老化以及環境變化,例如由于植被的生長或新建筑物的安裝而增加陰影。

因此,實際的現實是,盡管太陽能是免費的,但利用太陽能產生的電能需要仔細優化,包括轉換,存儲等每個階段。提高效率的最大技術之一是逆變器的設計,該逆變器將太陽能電池陣列(或其電池存儲)的直流輸出轉換為交流電流,以便直接消耗或通過電網傳輸。

逆變器通過切換直流輸入電流的極性來工作,使其接近交流輸出。開關頻率越高,轉換效率越高。簡單的開關即可產生方波輸出,可以驅動負載,但是諧波會損失更多的電流。因此,逆變器需要平衡開關頻率以提高效率、工作電壓和功率容量,此外還需要針對最小化方波的輔助組件成本之間的進行平衡。

SiC的優勢

碳化硅(SiC)在太陽能發電應用中比硅具有多種優勢,其擊穿電壓是傳統硅的十倍以上, SiC器件還具有比硅更低的導通電阻,柵極電荷和反向恢復電荷特性,以及更高的熱導率。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,同時更有效地管理散熱。

MOSFET在開關應用中受到青睞,因為它們是單極器件,這意味著它們不使用少數載流子。既使用多數載流子又使用少數載流子的硅雙極型器件(IGBT)可以在比硅MOSFET高的電壓下工作,但是由于它們在切換時需要等待電子和空穴重新結合以及耗散重組能量,因此其開關速度變慢。

硅MOSFET廣泛用于高達300V的開關應用中,高于該電壓時,器件的導通電阻上升,設計者不得不轉向較慢的雙極器件。 SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET,同時保留了低壓硅器件的快速開關速度優勢。開關性能也相對獨立于溫度,從而在系統升溫時實現穩定的性能。

由于功率轉換效率與開關頻率直接相關,因此,SiC既可以處理比硅更高的電壓,又可以確保高轉換效率所需的超高轉換頻率,因此實現了雙贏。

SiC的導熱系數也是硅的三倍,可以在更高的溫度下運行。硅在175℃左右就無法正常運行,甚至在200攝氏度時直接會變成導體。而SiC直到1000℃左右才發生這種情況??梢酝ㄟ^兩種方式利用SiC的熱特性。首先,它可以用于制造功率轉換器,而該轉換器所需的冷卻系統要少于等效的硅系統。另外,SiC在較高溫度下的穩定運行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉換系統,例如車輛和蜂窩基站。

 

這些優勢在太陽能轉換效率更高的功率升壓電路中發揮了重要作用。該電路設計為使太陽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,以實現最佳的轉換。

 

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

最左圖顯示了成本最低的方法,該方法使用硅二極管和MOSFET。如中圖所示,第一個優化方案是用SiC版本取代硅二極管,這將提高電路的功率密度和轉換效率,從而降低系統成本。如右圖所示,也可以用SiC等效替代硅MOSFET,這為設計人員提供了更多的開關頻率選擇,從而進一步提高了電路的轉換效率和功率密度。

采用熟悉的TO220和TO247封裝的安森美半導體SiC肖特基二極管,額定電壓和電流高達1200V和20A。它還為模塊制造商提供裸芯片,額定電壓和電流高達1200V和50A。

還有許多采用熟悉的D2PAK和TO247格式的1200V SiC MOSFET,典型RDSon低至20mW。


該公司還銷售混合模塊,該模塊將硅IGBT和SiC二極管結合在一起,例如功率集成模塊(PIM)。它具有雙升壓特性,包括了兩個40A / 1200V IGBT,兩個15A / 1200V SiC二極管和兩個用于IGBT的25A / 1600V反并聯二極管。另外兩個25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌電流,并且該模塊還帶有熱敏電阻保護。

對于那些想要在太陽能光伏裝置中利用SiC的人,安森美半導體還開發了一系列兩通道或三通道的SiC升壓模塊,用于太陽能逆變器。

SiC功率器件比硅替代品具有許多優勢,包括其切換高壓的能力以及高速,低損耗和良好熱性能的電流。盡管目前它們在同類基礎上可能比硅產品更貴(如果可以使用硅替代產品),但它們在系統內的良好性能可以帶來總成本的節省,例如散熱成本,面積成本等。然后是效率問題,如果部署SiC可以提高2%的效率,那將產生額外的10GW電能。

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