迎接太陽(yáng)光伏能源的嶄新黎明

近些年來(lái)，在世界范圍內(nèi)的政治和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，人們對(duì)可再生能源態(tài)度的關(guān)注日益增加。雖然在去年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)中，很多可再生能源項(xiàng)目被削減，但是太陽(yáng)能設(shè)備未來(lái)幾年的安裝增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)可能在30%～40%之間（如圖1所示）。

圖1 太陽(yáng)能安裝市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)期

這種增長(zhǎng)將包括整個(gè)供電領(lǐng)域，從巨大的兆瓦級(jí)中心發(fā)電站到遍及全球的住宅屋頂太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池單體和功率電子器件的效率正不斷地攀升。同時(shí)，新型的系統(tǒng)拓?fù)?/strong>架構(gòu)和器件也持續(xù)將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的性能提高到新的水平。

到目前為止，卓越的太陽(yáng)能電池單體材料是單晶硅pn結(jié)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(yīng)用領(lǐng)域中取得成本和效率之間的折中。高功率的聚能器系統(tǒng)可以選擇使用效率高達(dá)25%的多結(jié)單體，但成本比較高。而低端系統(tǒng)可以選擇效率比較低的多晶或薄膜系統(tǒng)，但制造成本卻非常吸引人。

圖2 卓越的太陽(yáng)能電池單體材料是單晶硅pn結(jié)

常規(guī)太陽(yáng)能電池技術(shù)
典型的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)包括兩個(gè)功率單元（如圖3所示），前端單元是升壓轉(zhuǎn)換器，可以將太陽(yáng)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(jīng)過(guò)逆變器輸出到線路。

圖3 常規(guī)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括兩個(gè)功率單元

這個(gè)系統(tǒng)的輸入電源是太陽(yáng)能電池單體陣列，它可能是一個(gè)平板、一串平板，或并聯(lián)和串聯(lián)在一起的組合平板。每個(gè)平板通常產(chǎn)生50～60V的電壓，然后串聯(lián)到一起來(lái)達(dá)到升壓轉(zhuǎn)換器所期望的直流電壓。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)也具有一種最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking：MPPT）機(jī)制。任何太陽(yáng)能電池單體或串聯(lián)的電池單體都具有功率最大時(shí)的輸出電壓，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，電流不會(huì)增加以補(bǔ)償功率的恒定，否則，電壓升高時(shí)電流就會(huì)降落得太快。這就需要有一個(gè)計(jì)算單元用于計(jì)算電壓和電流的乘積，并確定其最大功率點(diǎn)，以此控制輸出電壓達(dá)到該值。

在串連的電池單體中，輸出電流是由串聯(lián)鏈路中輸出電流最低的那塊單體決定的。如果光照亮度發(fā)生變化，或者任何一個(gè)電池單體被部分遮擋了或變得透光不強(qiáng)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(dá)不到峰值功率。

有許多種方法可以彌補(bǔ)這種情況，完全依賴太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類型。在大型的中心發(fā)電站，電池單體通常排列在沒(méi)有遮擋的開放區(qū)域，甚至?xí)粉櫶?yáng)在天空的角度，來(lái)在任何時(shí)候都能夠維持最大的直接光照。

然而，在稍微小一些的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池陣列能夠以不同的角度重新排列來(lái)獲得最大最直接的光照。在這種情況下，整個(gè)陣列被劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以獨(dú)立工作，它們輸出的直流電壓可以疊加?？刂破髂軌?qū)㈦娏鬏斎氲捷敵龉β瘦^低的區(qū)域來(lái)平衡和優(yōu)化整個(gè)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流。

新技術(shù)開發(fā)
在光伏能源領(lǐng)域，一種被稱為微型逆變器的新發(fā)明是非常有前途的，這是因?yàn)樗梢蕴岣甙惭b的效率，并有助于充分利用從每個(gè)面板所獲得的所有能量。在美國(guó)，小型到中型設(shè)備的安裝非常普遍。因此，每片太陽(yáng)能面板接有250～500W的逆變器，并將不同的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的交流輸出電壓。

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

另一種方法就是采用H橋接逆變器串聯(lián)形成合適的尺寸，并將每個(gè)逆變器的一相連接到串聯(lián)鏈路中下一個(gè)逆變器的另一相。通過(guò)這種方式，運(yùn)用合適的控制技術(shù)，H橋接就可以形成多個(gè)逆變器的組合。由于每個(gè)太陽(yáng)能電池面板在電氣上與下一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是可能用在光伏能源領(lǐng)域的，有一些已經(jīng)在使用了。一種三級(jí)逆變器就是把IGBT和FET器件串聯(lián)在每個(gè)供電母線和線路之間，并在二者之間的分支上通過(guò)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(guò)98%，所以在中到高功率應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是中性點(diǎn)鉗位逆變器。它包括一個(gè)常規(guī)的IGBT逆變器橋，其每相都通過(guò)雙向IGBT開關(guān)連接到中性點(diǎn)。這種拓?fù)渫ǔＰ枰吖β?、耐?200V的IGBT器件。

而另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思想促進(jìn)了電流源逆變器（如圖4所示）的出現(xiàn)，它超越了前面所描述的電壓源逆變器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要升壓?jiǎn)卧洼敵龉β实骄€路上的精細(xì)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(jié)構(gòu)朝著更薄的硅襯底和溝道型柵極器件發(fā)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(jīng)被具有植入陽(yáng)極（非通孔類型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩沖器和陽(yáng)極的相對(duì)場(chǎng)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(kuò)散、快速熱退火和激光退火等。為了使這種結(jié)構(gòu)的器件正常工作，晶圓被做得很薄，甚至放在手里都會(huì)彎曲（如圖5所示）。

圖5  IGBT器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是更薄的硅襯底和采用溝道型柵極

最近十幾年，常規(guī)600V MOSFET管已經(jīng)逐漸被稱之為超結(jié)點(diǎn)的一類MOSFET管所代替。它們通常在一個(gè)n型底層中由帶有埋藏p型層的多個(gè)外延n型層合并到一起來(lái)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(zhuǎn)換器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)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(dǎo)通電阻是常規(guī)溝道MOSFET管的一半。新技術(shù)使用充電平衡的方法來(lái)降低外延耗盡漂移區(qū)的電阻，以及一個(gè)屏蔽柵極來(lái)降低柵-漏電容，以此改善開關(guān)特性和降低損耗。

許多低于30kW的設(shè)計(jì)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(jīng)面市，并且可以在很大程度上減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

在橋接逆變器拓?fù)?/strong>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(qū)動(dòng)電路。轉(zhuǎn)模封裝（Transfer-molded）的生產(chǎn)方法可以使太陽(yáng)能設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出高度更低、材料更少和成本更低的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)。

在新系統(tǒng)架構(gòu)、控制方法和器件設(shè)計(jì)中的持續(xù)創(chuàng)新使得太陽(yáng)能的利用效率更高。這些進(jìn)步包括從全球政府部門對(duì)清潔能源的有力推動(dòng)，使太陽(yáng)能利用的前途真正變得光明。