半导体

宽禁带使太阳能前景广阔

作者:安森美半导体宽禁带(SiC和GaN)产品线经理Brandon Becker来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-04-08 16:49我要评论

显然,可再生能源将是我们未来的重要组成部分,它既满足我们对电能的日益增长的需求,为电动汽车(EV)等新技术供电,也保护环境,减少我们对污染化石燃料和核能的依赖。

在使用的各种形式的可再生能源中,太阳能和风能已成为最常使用的能源,并负责产生大多数清洁可再生能源。在这两种技术中,太阳能正在成为主导技术,其发电量几乎是风力发电的两倍。实际上,2017年部署的太阳能发电量大于同期基于化石燃料的发电总量,这是全球转向清洁可再生能源的重要里程碑。

太阳能发电的发展有巨大的市场机会,因为它目前仅占全球总发电量的12%(相当于500 GW)。亚太地区的产能领先,占全球一半以上,其中以占全球太阳能部署量三分之一的中国为主。欧洲目前占全球产能的四分之一以上,而美国约占全球产能的六分之一。

太阳能的快速增长(有人估计其复合年增长率(CAGR)约为30%)是由三个主要因素驱动:对更大功率持续强烈的需求、技术进步以及政府法规和倡议。光伏面板正在不断改进,以更高效地将阳光转化为电能,和从较小的表面积产生更多的电能,从而使住宅设施更有效。

各国政府正在制定政策刺激太阳能增长,如中国声明到2020年清洁能源必须满足其20%的能源需求。欧盟进一步实施其“20-20-20”目标:到2020年,能效将提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源将产生20%的能量。

太阳能发电技术

光伏面板产生直流电压,当与DC-DC充电器一起使用时,可用于“离网”电源,对存储能量的电池组进行充电,以备后用。但是,大多数设备都需要市电电压下的交流电源,因此,在许多系统中,从光伏面板电压生成交流电压的逆变器至关重要。这种方法被称为“并网”,因为交流电可以连接回主电网,从而为房主提供机会向发电公司出售电力以抵消账单。

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图1:典型的太阳能发电逆变系统框图

逆变器尺寸方面,趋势是从超过100 kW的高功率中央逆变器转向每台能够提供高达100 kW功率的多串逆变器。这些系统的核心是DC - DC升压转换器和DC - AC逆变器,从光伏面板获得的DC电压生成AC电源电压(和频率)。除此以外,还有一系列精密的监测、控制和保护电路,以确保系统安全高效地运行。

能效是任何太阳能光伏系统的关键目标之一,以至能量不会浪费,并且尽可能少地产生不需要的热量。系统的能效越高,在散热器、风扇和其他硬件方面所需的冷却就越少,从而减小了系统的大小、重量和成本。

宽禁带技术对未来的太阳能发电系统至关重要

可以说,电源转换器最重要的元件开关器件如MOSFET、IGBT和二极管,通常由硅制成。由于这些器件对太阳能发电系统的能效至关重要,因此,领先的半导体公司如安森美半导体已大量投资,以不断提高性能。然而,该行业已到了采用硅器件几乎不可能进一步改进的程度。因此,基于宽禁带(WBG)材料的开关器件,包括氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),被视为是提供未来太阳能发电系统所需性能的关键。

SiC开关器件有时被称为“解决所有电源工程师问题的方案”,在一些关键领域提供增强的性能。在静态应用中,它们在完全接通时固有的更低电阻可降低损耗,因此在运行期间产生的热量更少。

在现代开关电源应用中,工程师的目标是提高开关频率,从而能够减小电感器和变压器等磁性器件的尺寸。这种方法减少了许多逆变器设计中接通时出现的浪涌电流。采用基于硅的MOSFET,每个开关周期所需的门极电荷(Qg)量相对较大,因此,随着频率的增加,动态损耗也随之增加。

使用SiC器件时,动态开关损耗要小得多,因而能使用更高的开关频率,同时仍能提高性能(并减小尺寸)。相比之下,典型的SiC二极管以80kHz工作时,其损耗要比硅二极管小73%。在大功率太阳能发电系统中,提高约3%的能效将带来显著的性能提升。

人们仍然认为SiC方案很贵。但事实并非如此,尽管这些器件已在市场上销售了一段时间,但采用率一直低于预期,因为关注点在单个器件的成本而不是整个系统的成本或总拥有成本。

如果我们考虑使用硅基30 kW电源方案,则电感器和电容器的成本为90%(分别为60%和30%)。半导体器件仅占总物料单(BOM)成本的10%。尽管单个SiC器件的成本要比对应的硅器件高,但使用SiC开关可使电容和电感值降低75%,显著降低了成本,从而抵消了开关器件的成本增加。因此,SiC方案用于太阳能发电系统的BOM总成本已达到可以低于硅方案的水平,并具有显著的应用和性能优势。

现代SiC WBG方案

领先半导体制造商包括安森美半导体提供一系列全面的高能效电源方案,其中包括可提升太阳能发电系统性能的先进SiC基器件。先进的门极驱动器经过专门优化,可与SiC MOSFET一起使用,并提供允许的最大门极电压,以确保它们完全导通以最小化损耗。

SiC MOSFET如安森美半导体的NVHL080N120SC1具有仅80 mOhm的导通电阻(RDS(ON))和低门极电荷(QG)及电容值,降低电磁干扰(EMI)并支持使用更快的开关频率,从而带来上述好处。SiC肖特基二极管如1200V、30A FFSH30120A没有反向恢复电流和与温度无关的开关特性,非常适用于先进的太阳能发电应用。

总结

太阳能正成为未来的重要能源,因为它提供了环保、可持续发展的方案。价格下降、政府政策和减少二氧化碳排放的需要共同使该领域强劲增长。

能效在这里至关重要,是设计和制造小的、高度可靠的系统的关键所在,而基于硅的方案已达其发展潜力的极限,现正被WBG技术超越。基于SiC的器件损耗要低得多,并且可以在更高的温度和更快的工作频率下运行,从而极大地减小了占BOM主要成本的电感和电容器的尺寸和成本。因此,这些高效且可靠的系统能够以低于上一代硅基产品的价格水平进行设计。



责任编辑:陈炳欣
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