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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:2022-05-15

    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。

     

    圖1. 2019 – 2024年按技術分類的可再生能源產能增長

     

    圖2. 2007 – 2024年分布式光伏產能增長情況

    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。

    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。

    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)

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    image.png

    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。

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

    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。

    <p style="padding: 0px; margin: 0px 0px 20px; position: relative; font-family: " helvetica="" neue",="" helvetica,="" "hiragino="" sans="" gb",="" pinghei,="" "pingfang="" sc",="" stheitisc-light,="" "microsoft="" yahei",="" "lantinghei="" arial,="" sans-serif;="" max-width:="" 100%;="" color:="" rgb(119,="" 119,="" 119);="" font-size:="" 16px;"="">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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