碳化硅在分布式光伏發(fā)電逆變器上的絕佳應(yīng)用案例
發(fā)布時(shí)間：2020-12-24 10:44:02 點(diǎn)擊次數(shù)：262
顧客，行業(yè)和當(dāng)局正在采取各種措施來增加可再造能源的使用。這正在將發(fā)電，輸配電系統(tǒng)從集中式電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橘澩镜匕l(fā)電的愈發(fā)智能的電網(wǎng)。拓?fù)錁?gòu)造，通過智能電網(wǎng)互連使供需穩(wěn)定。
根據(jù)國際能源署（IEA）2019年10月的報(bào)告，到2024年，可再造能源發(fā)電量將增長50％，這意味著世界可再造能源發(fā)電量將增加1200gw，相當(dāng)于美國的當(dāng)前水準(zhǔn)報(bào)告預(yù)測，約60％的可再造能源將以太陽能光伏的形式出現(xiàn)（PV）。
可再生能源的增長
圖1.2019-2024年可再造能源技術(shù)產(chǎn)能增長
IEA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)轭櫩?，商貿(mào)建筑物和工業(yè)設(shè)備開始生產(chǎn)自己的電力，并預(yù)測到2024年分布式光伏發(fā)電的總?cè)萘繉⒎环陨希^500gw，這意味著分布式光伏發(fā)電將占太陽能光伏總增長的近一半。
圖2.2007–2024年分布式光伏產(chǎn)能的增長
光伏的優(yōu)勢
為什么太陽能光伏發(fā)電對可再造能源容量的增長如此最主要？一個(gè)顯著的原因是太陽能十分易于直接使用，特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或離網(wǎng)地區(qū)。另一個(gè)顯著的原因是太陽能很多。根據(jù)計(jì)算，在水平面上每天每平方米可產(chǎn)生1千瓦的電力。如果考慮日/夜周期，入射角，季節(jié)性和其他因素，則每天每平方米可產(chǎn)生6千瓦時(shí)的電能。
太陽能發(fā)電運(yùn)用光電效應(yīng)將入射光轉(zhuǎn)換為電能。光子被半導(dǎo)體材料（例如摻雜的硅）吸收，它們的能量將電子從分子或原子軌道中激發(fā)出來，然后這些電子可以將剩余的能量消退為加熱并趕回其軌道，或散播到電極并形成電流。
與所有能量轉(zhuǎn)換過程一樣，并非所有輸入太陽能電池的能量都以電形式輸出。事實(shí)上，多年來單晶硅太陽能電池的效率始終在20％到25％之間徘徊，但是太陽能光伏的機(jī)遇卻很大如此極大的能量產(chǎn)生，數(shù)十年來，研究團(tuán)隊(duì)始終在奮斗使用日漸繁復(fù)的構(gòu)造和材料來提高電池轉(zhuǎn)換效率，如NREL所示。
圖3.1976年至2020年全世界太陽能電池轉(zhuǎn)換效率（nrel）研究的進(jìn)展（此圖由美國科羅拉多州國家可再造能源實(shí)驗(yàn)室提供）
一般而言，以使用多種不同的材料以及更繁復(fù)和高昂的制造技術(shù)為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)所示的更高效率。
許多太陽能光伏裝置借助于各種形式的多晶硅或硅，碲化鎘或硒化銅銦鎵薄膜，其轉(zhuǎn)換效率在20％到30％的范圍內(nèi)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單位。
效率挑戰(zhàn)
20％-30％是完美狀況。實(shí)質(zhì)上，轉(zhuǎn)換效率或許由于各種原因而下降：降雨，積雪和塵埃，材料老化和環(huán)境變化，例如植被的生長或新構(gòu)筑物的安裝增加了影子。
因此，實(shí)際上情形是，盡管太陽能是免費(fèi)的，但太陽能發(fā)電需要細(xì)心優(yōu)化，包括轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)等各個(gè)階段。提高效率的一項(xiàng)最主要技術(shù)是逆變器的設(shè)計(jì)。，它將太陽能電池陣列的直流輸出（或其電池存儲(chǔ)）轉(zhuǎn)換為交流電流，以直接損耗或通過電網(wǎng)傳輸。
逆變器通過切換直流輸入電流的極性使其相近交流輸出來工作。開關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換效率越高。簡便的開關(guān)就可以產(chǎn)生方波輸出，從而可以驅(qū)動(dòng)載荷，但是諧波會(huì)損失更多電流。因此，逆變器需要均衡開關(guān)頻率以提高效率，工作電壓和功率容量，還需要平衡小化方波輔助組件的成本。
SiC的優(yōu)勢
碳化硅（SiC）在太陽能應(yīng)用中比硅有著許多優(yōu)勢。它的擊穿電壓是傳統(tǒng)硅的十倍以上。SiC器件的導(dǎo)通電阻和柵極電荷也比硅更低。以及反向回復(fù)電荷特性和更高的熱導(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)更有效地管理散熱。
MOSFET在切換應(yīng)用程序中受到青睞，因?yàn)樗鼈兪菃螛O器件，這意味著它們不使用少數(shù)載波。同時(shí)使用多數(shù)和少數(shù)載波的硅雙極型器件（IGBT）可以比硅MOSFET更高的電壓工作。，但是由于它們在切換時(shí)需要等候電子和空穴再度結(jié)合并耗散整合能量，因此其切換速度會(huì)變慢。
硅MOSFET被普遍用于高達(dá)300v的開關(guān)應(yīng)用中。大于此電壓，器件的導(dǎo)通電阻會(huì)升高，設(shè)計(jì)人員須要切換到較慢的雙極型器件。SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來使MOSFET遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅中的也許，同時(shí)維持開關(guān)性能也相對單獨(dú)于溫度，從而在系統(tǒng)升溫時(shí)實(shí)現(xiàn)安定的性能。
由于功率轉(zhuǎn)換效率與開關(guān)頻率直接相關(guān)，因此SiC不僅可以處置比硅更高的電壓，而且可以保證高轉(zhuǎn)換效率所需的超高轉(zhuǎn)換頻率，從而實(shí)現(xiàn)雙贏。
SiC的導(dǎo)熱系數(shù)也是硅的三倍，并且可以在更高的溫度下工作。硅不能在175°c左右正常工作，甚至可以直接在200°c下變?yōu)閷?dǎo)體。SiC并沒有時(shí)有發(fā)生直到@1000℃左右為止。SiC的熱特性有兩種使用方式。首先，它可用于制造功率轉(zhuǎn)換器，與同類硅系統(tǒng)相比之下，其所需的冷卻系統(tǒng)更少。高溫下的安定運(yùn)行可用于制造空間頗為珍貴的密集功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如車和蜂巢基站。
這些優(yōu)勢在有著較高太陽能轉(zhuǎn)換效率的功率升壓電路中起著舉足輕重功用。該電路旨在使太陽能電池陣列的輸出阻抗（隨入射光的水準(zhǔn)而轉(zhuǎn)變）與逆變器所需的輸入阻抗相匹配。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。
