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作者：安森美半導體寬禁帶（SiC和GaN）產品線經理Brandon Becker 顯然，可再生能源將是我們未來的重要組成部分，它既滿足我們對電能的日益增長的需求，為電動汽車（EV）等新技術供電，也保護環境，減少我們對污染化石燃料和核能的依賴。 在使用的各種形式的可再生能源中，太陽能和風能已成為最常使用的能源，并負責產生大多數清潔可再生能源。在這兩種技術中，太陽能正在成為主導技術，其發電量幾乎是風力發電的兩倍。實際上，2017年部署的太陽能發電量大于同期基于化石燃料的發電總量，這是全球轉向清潔可再生能源的重要里程碑。 太陽能發電的發展有巨大的市場機會，因為它目前僅占全球總發電量的12％（相當于500 GW）。亞太地區的產能領先，占全球一半以上，其中以占全球太陽能部署量三分之一的中國為主。歐洲目前占全球產能的四分之一以上，而美國約占全球產能的六分之一。 太陽能的快速增長（有人估計其復合年增長率（CAGR）約為30％）是由三個主要因素驅動：對更大功率持續強烈的需求、技術進步以及政府法規和倡議。光伏面板正在不斷改進，以更高效地將陽光轉化為電能，和從較小的表面積產生更多的電能，從而使住宅設施更有效。 各國政府正在制定政策刺激太陽能增長，如中國聲明到2020年清潔能源必須滿足其20％的能源需求。歐盟進一步實施其“20-20-20”目標：到2020年，能效將提高20％，二氧化碳排放量降低20％，可再生能源將產生20％的能量。 太陽能發電技術 光伏面板產生直流電壓，當與DC-DC充電器一起使用時，可用于“離網”電源，對存儲能量的電池組進行充電，以備后用。但是，大多數設備都需要市電電壓下的交流電源，因此，在許多系統中，從光伏面板電壓生成交流電壓的逆變器至關重要。這種方法被稱為“并網”，因為交流電可以連接回主電網，從而為房主提供機會向發電公司出售電力以抵消賬單。 
圖1：典型的太陽能發電逆變系統框圖 逆變器尺寸方面，趨勢是從超過100 kW的高功率中央逆變器轉向每臺能夠提供高達100 kW功率的多串逆變器。這些系統的核心是DC - DC升壓轉換器和DC - AC逆變器，從光伏面板獲得的DC電壓生成AC電源電壓（和頻率）。除此以外，還有一系列精密的監測、控制和保護電路，以確保系統安全高效地運行。 能效是任何太陽能光伏系統的關鍵目標之一，以至能量不會浪費，并且盡可能少地產生不需要的熱量。系統的能效越高，在散熱器、風扇和其他硬件方面所需的冷卻就越少，從而減小了系統的大小、重量和成本。 寬禁帶技術對未來的太陽能發電系統至關重要 可以說，電源轉換器最重要的元件開關器件如MOSFET、IGBT和二極管，通常由硅制成。由于這些器件對太陽能發電系統的能效至關重要，因此，領先的半導體公司如安森美半導體已大量投資，以不斷提高性能。然而，該行業已到了采用硅器件幾乎不可能進一步改進的程度。因此，基于寬禁帶（WBG）材料的開關器件，包括氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），被視為是提供未來太陽能發電系統所需性能的關鍵。 SiC開關器件有時被稱為“解決所有電源工程師問題的方案”，在一些關鍵領域提供增強的性能。在靜態應用中，它們在完全接通時固有的更低電阻可降低損耗，因此在運行期間產生的熱量更少。 在現代開關電源應用中，工程師的目標是提高開關頻率，從而能夠減小電感器和變壓器等磁性器件的尺寸。這種方法減少了許多逆變器設計中接通時出現的浪涌電流。采用基于硅的MOSFET，每個開關周期所需的門極電荷（Qg）量相對較大，因此，隨著頻率的增加，動態損耗也隨之增加。 使用SiC器件時，動態開關損耗要小得多，因而能使用更高的開關頻率，同時仍能提高性能（并減小尺寸）。相比之下，典型的SiC二極管以80kHz工作時，其損耗要比硅二極管小73％。在大功率太陽能發電系統中，提高約3％的能效將帶來顯著的性能提升。 人們仍然認為SiC方案很貴。但事實并非如此，盡管這些器件已在市場上銷售了一段時間，但采用率一直低于預期，因為關注點在單個器件的成本而不是整個系統的成本或總擁有成本。 如果我們考慮使用硅基30 kW電源方案，則電感器和電容器的成本為90％（分別為60％和30％）。半導體器件僅占總物料單（BOM）成本的10％。盡管單個SiC器件的成本要比對應的硅器件高，但使用SiC開關可使電容和電感值降低75％，顯著降低了成本，從而抵消了開關器件的成本增加。因此，SiC方案用于太陽能發電系統的BOM總成本已達到可以低于硅方案的水平，并具有顯著的應用和性能優勢。 現代SiC WBG方案 領先半導體制造商包括安森美半導體提供一系列全面的高能效電源方案，其中包括可提升太陽能發電系統性能的先進SiC基器件。先進的門極驅動器經過專門優化，可與SiC MOSFET一起使用，并提供允許的最大門極電壓，以確保它們完全導通以最小化損耗。 SiC MOSFET如安森美半導體的NVHL080N120SC1具有僅80 mOhm的導通電阻（RDS（ON））和低門極電荷（QG）及電容值，降低電磁干擾（EMI）并支持使用更快的開關頻率，從而帶來上述好處。SiC肖特基二極管如1200V、30A FFSH30120A沒有反向恢復電流和與溫度無關的開關特性，非常適用于先進的太陽能發電應用。 總結 太陽能正成為未來的重要能源，因為它提供了環保、可持續發展的方案。價格下降、政府政策和減少二氧化碳排放的需要共同使該領域強勁增長。 能效在這里至關重要，是設計和制造小的、高度可靠的系統的關鍵所在，而基于硅的方案已達其發展潛力的極限，現正被WBG技術超越。基于SiC的器件損耗要低得多，并且可以在更高的溫度和更快的工作頻率下運行，從而極大地減小了占BOM主要成本的電感和電容器的尺寸和成本。因此，這些高效且可靠的系統能夠以低于上一代硅基產品的價格水平進行設計。 |
