突破瓶頸！寬禁帶技術賦能未來的太陽能發電方案

安森美半導體 2020-02-11 00:00

“傻瓜式”高密度電源設計 Wi?Fi 6怎么玩？瑞薩RA6Wx雙頻SoC開發實戰

點擊上方藍字關注我們

我們持續面臨全球氣候形勢的惡劣現狀。火災、洪水和極端天氣，所有這些都歸因于氣候變化。

形勢顯然令人擔憂，全球都在倡導大幅減少化石燃料使用，或者完全禁止使用。但如果沒有適當技術能夠高效地提供能源且價格與現有技術價格相當，推行太陽能發電的舉措就不可能完全成功。

本文作者 Brandon Becker

太陽能發電本質上是直流（DC）技術，需要逆變器（DC-AC）來發電。一旦有了交流電（AC），所有的主要設備都可使用這電能，即使是小型設備如家居設備也可連接到電網，從而實現電力共享。

典型太陽能發電逆變器系統框圖

在太陽能發電的早期，逆變器往往是集中的，能力超過100kW。但最近這趨勢已改變，因為運營商更傾向使用低于100kW的逆變器串。在所有情況下，該架構都類似于一個DC-DC升壓轉換器，用于增加光伏電池板的電壓，以及一個DC-AC逆變器，以本地電網的恰當頻率（50Hz/60Hz）產生交流電壓。該系統配有保護電路和精密的監視/控制，確保在任何時候都達到最佳能效。

即使太陽能是無盡的，但能效仍是太陽能系統的關鍵考慮因素。任何低效的系統都會產生不想要的熱量，必須將其從系統中移除。這必然涉及熱管理措施，包括散熱器和 /或風扇，這每一個都會增加系統的尺寸、復雜性、重量和成本。

雖然選擇的逆變器拓撲結構會影響能效，但主要的半導體開關器件（MOSFET、IGBT和二極管）對于實現現代太陽能發電應用所需的能效絕對至關重要。自發明了半導體器件以來，硅（Si）一直是主要使用的材料，通過多年的不斷創新，該技術已達到了幾乎不可能進一步提升的地步。

因此，主要的半導體制造商如安森美半導體，一直在探索其他材料來構建未來的開關器件。 所謂寬禁帶（WBG）材料，包括氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），已成為關注的焦點，因為它們的性能非常適合開發高效的半導體器件。

WBG材料的固有電阻比基于Si的器件低，從而減少了連續導電時的靜電損耗。另外，隨著開關頻率的提高，磁性元器件的尺寸減小，WBG技術進一步提高了能效，因為門極電荷比硅減少，動態損耗也降低。

寬禁帶優勢

如果有因素減緩了WBG的采用，那么從過去而言這因素就是成本。但是，粗略的分析將使工程師得出錯誤的結論，因為半導體器件通常僅占電力系統成本的10％，而電感器和電容器約占90％。由于SiC器件增強的性能，可使電容器和電感器的值降低約75％，從而極大地降低了成本和尺寸。

當以80kHz工作時

典型的SiC二極管的損耗比硅二極管小73％

如果考慮到無源元器件的節省，盡管SiC器件的成本較高，但基于WBG的電源方案的總成本現在相當于或略低于Si基方案。

安森美半導體提供大量SiC MOSFET產品組合，包括900V如NTHL020N090SC1和1200V如NTHL040N120SC1，導通電阻（RDS(ON)）僅40 mOhm，低門極電荷（QG）和電容值可降低電磁干擾 (EMI) 并允許使用更快的開關頻率，提供了上述優勢。SiC肖特基二極管如650V和1200V。30A FFSH30120A就是個例子，它沒有反向恢復，具有電流不受溫度影響的開關特性，因此非常適用于先進的太陽能發電應用。

隨著行業已達到這一關鍵的轉折點，WBG器件將真正成為太陽能發電的光明未來的促成者，有助于實現能效更高的地球，應對氣候變化的影響。

延伸閱讀…