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碳化硅在光伏发电逆变器上的应用案例

作者:william威廉希尔    发布时间:2021-02-10 15:00    

  消费者、各行业及政府都在采取各项措施以增加对可再生能源的利用,这正在将发电和输配电系统从中心化的电网转换成更加智能化网格化的,支持本地发电的拓扑,并通过智能电网互连来平滑供需。

  根据国际能源署(IEA)2019年10月的报告,到2024年,可再生能源发电量将增长50%。这意味着全球可再生能源发电量将增加1200GW,相当于美国目前的装机量。该报告预测,可再生能源中约有60%将以太阳能光伏(PV)的形式出现。

  IEA报告还强调了分布式光伏发电系统的重要性,因为消费者,商业建筑和工业设施开始生产自己的电力。它预测,到2024年,分布式光伏发电总容量将翻一番以上,超过500GW。这意味着分布式光伏发电将占太阳能光伏总增长的近一半。

  为什么太阳能光伏发电在可再生能源容量的增长如此重要?一个明显的原因是太阳能非常容易直接利用,尤其是偏远地区或离网区域。另一个明显的原因是太阳能很多,根据计算,海平面上,每平方米每天可产生1kW电力,如果考虑诸如日/夜周期,入射角,季节性等因素,每天每平方米或可以产生6kWh电量。

  太阳能发电利用光电效应将入射光转化为电能。光子被半导体材料(例如掺杂的硅)吸收,它们的能量将电子激发出其分子或原子轨道。然后,这些电子可将其多余的能量作为热量散失并返回其轨道,或者传播到电极并形成电流。

  与所有能量转换过程一样,并非所有输入太阳能电池的能量都以首选的电形式输出。实际上,多年来,单晶硅太阳能电池的效率一直徘徊在20%至25%之间。但是,太阳能光伏发电的机会是如此巨大,以至于数十年来,研究团队一直在努力使用日益复杂的结构和材料来提高电池转换效率,如NREL的这张图所示。

  图3. 1976年至2020年全球研究太阳能电池的转换效率的进展(NREL)(此图由美国科罗拉多州国家可再生能源实验室提供)

  通常,以使用多种不同材料和更复杂,更昂贵的制造技术为代价来实现所示的更高效率。

  许多太阳能光伏设备依靠各种形式的多晶硅或硅、碲化镉或硒化铜铟镓的薄膜,转换效率在20%至30%的范围内。单元内置在模块中,这些模块是太阳能光伏发电系统的基本单元。

  20%-30%是理想状态,实际上转换效率可能会因各种原因而降低转换效率:降雨,积雪和灰尘沉积,材料老化以及环境变化,例如由于植被的生长或新建筑物的安装而增加阴影。

  因此,实际的现实是,尽管太阳能是免费的,但利用太阳能产生的电能需要仔细优化,包括转换,存储等每个阶段。提高效率的最大技术之一是逆变器的设计,该逆变器将太阳能电池阵列(或其电池存储)的直流输出转换为交流电流,以便直接消耗或通过电网传输。

  逆变器通过切换直流输入电流的极性来工作,使其接近交流输出。开关频率越高,转换效率越高。简单的开关即可产生方波输出,可以驱动负载,但是谐波会损失更多的电流。因此,逆变器需要平衡开关频率以提高效率、工作电压和功率容量,此外还需要针对最小化方波的辅助组件成本之间的进行平衡。

  碳化硅(SiC)在太阳能发电应用中比硅具有多种优势,其击穿电压是传统硅的十倍以上, SiC器件还具有比硅更低的导通电阻,栅极电荷和反向恢复电荷特性,以及更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以在比硅等效器件更高的电压,频率和电流下切换,同时更有效地管理散热。

  MOSFET在开关应用中受到青睐,因为它们是单极器件,这意味着它们不使用少数载流子。既使用多数载流子又使用少数载流子的硅双极型器件(IGBT)可以在比硅MOSFET高的电压下工作,但是由于它们在切换时需要等待电子和空穴重新结合以及耗散重组能量,因此其开关速度变慢。

  硅MOSFET广泛用于高达300V的开关应用中,高于该电压时,器件的导通电阻上升,设计者不得不转向较慢的双极器件。 SiC的高击穿电压意味着它可以用来制造比硅中可能的电压高得多的MOSFET,同时保留了低压硅器件的快速开关速度优势。开关性能也相对独立于温度,从而在系统升温时实现稳定的性能。

  由于功率转换效率与开关频率直接相关,因此,SiC既可以处理比硅更高的电压,又可以确保高转换效率所需的超高转换频率,因此实现了双赢。

  SiC的导热系数也是硅的三倍,可以在更高的温度下运行。硅在175℃左右就无法正常运行,甚至在200摄氏度时直接会变成导体。而SiC直到1000℃左右才发生这种情况。可以通过两种方式利用SiC的热特性。首先,它可以用于制造功率转换器,而该转换器所需的冷却系统要少于等效的硅系统。另外,SiC在较高温度下的稳定运行可用于空间非常宝贵的情况下制造密集的电源转换系统,例如车辆和蜂窝基站。

  这些优势在太阳能转换效率更高的功率升压电路中发挥了重要作用。该电路设计为使太阳能电池阵列的输出阻抗(随入射光的水平而变化)与逆变器所需的输入阻抗相匹配,以实现最佳的转换。

  图4:引入SiC器件以提高太阳能升压电路的效率(ON Semiconductor)

  最左图显示了成本最低的方法,该方法使用硅二极管和MOSFET。如中图所示,第一个优化方案是用SiC版本取代硅二极管,这将提高电路的功率密度和转换效率,从而降低系统成本。如右图所示,也可以用SiC等效替代硅MOSFET,这为设计人员提供了更多的开关频率选择,从而进一步提高了电路的转换效率和功率密度。

  采用熟悉的TO220和TO247封装的安森美半导体SiC肖特基二极管,额定电压和电流高达1200V和20A。它还为模块制造商提供裸芯片,额定电压和电流高达1200V和50A。

  该公司还销售混合模块,该模块将硅IGBT和SiC二极管结合在一起,例如功率集成模块(PIM)。它具有双升压特性,包括了两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管。另外两个25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌电流,并且该模块还带有热敏电阻保护。

  对于那些想要在太阳能光伏装置中利用SiC的人,安森美半导体还开发了一系列两通道或三通道的SiC升压模块,用于太阳能逆变器。

  SiC功率器件比硅替代品具有许多优势,包括其切换高压的能力以及高速,低损耗和良好热性能的电流。尽管目前它们在同类基础上可能比硅产品更贵(如果可以使用硅替代产品),但它们在系统内的良好性能可以带来总成本的节省,例如散热成本,面积成本等。然后是效率问题,如果部署SiC可以提高2%的效率,那将产生额外的10GW电能。


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