機遇與挑戰：

• 太陽光伏能源在未來幾年將不斷增長

市場數據：

• 太陽能設備未來幾年的安裝增長率預計可能在30%～40%之間

jinxienianlai

，zaishijiefanweineidezhengzhihejingjilingyuzhong，renmenduikezaishengnengyuantaidudeguanzhuriyizengjia。suiranzaiqunianquanqiujingjiweijizhong
，henduokezaishengnengyuanxiangmubeixuejian，danshitaiyangnengshebeiweilaijiniandeanzhuangzengchanglvyujikenengzai30%～40%之間（如圖1所示）。

圖2 卓越的太陽能電池單體材料是單晶矽pn結

常規太陽能電池技術

典型的太陽能發電係統包括兩個功率單元（如圖3所示）
，前端單元是升壓轉換器
，可以將太陽能麵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過逆變器輸出到線路。
 

圖3 常規太陽能發電係統主要包括兩個功率單元
 

這個係統的輸入電源是太陽能電池單體陣列，它可能是一個平板

、一串平板
，或並聯和串聯在一起的組合平板。每個平板通常產生50～60V的電壓，然後串聯到一起來達到升壓轉換器所期望的直流電壓。

太陽能發電係統也具有一種最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking：MPPT）機(ji)製(zhi)。任(ren)何(he)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)或(huo)串(chuan)聯(lian)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)都(dou)具(ju)有(you)功(gong)率(lv)最(zui)大(da)時(shi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)時(shi)，電(dian)流(liu)不(bu)會(hui)增(zeng)加(jia)以(yi)補(bu)償(chang)功(gong)率(lv)的(de)恒(heng)定(ding)
，否(fou)則(ze)，電(dian)壓(ya)升(sheng)高(gao)時(shi)電(dian)流(liu)就(jiu)會(hui)降(jiang)落(luo)得(de)太(tai)快(kuai)。這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)有(you)一(yi)個(ge)計(ji)算(suan)單(dan)元(yuan)用(yong)於(yu)計(ji)算(suan)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)，並(bing)確(que)定(ding)其(qi)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)，以(yi)此(ci)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)該(gai)值(zhi)。

在(zai)串(chuan)連(lian)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)中(zhong)，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)是(shi)由(you)串(chuan)聯(lian)鏈(lian)路(lu)中(zhong)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)最(zui)低(di)的(de)那(na)塊(kuai)單(dan)體(ti)決(jue)定(ding)的(de)。如(ru)果(guo)光(guang)照(zhao)亮(liang)度(du)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)
，或(huo)者(zhe)任(ren)何(he)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)被(bei)部(bu)分(fen)遮(zhe)擋(dang)了(le)或(huo)變(bian)得(de)透(tou)光(guang)不(bu)強(qiang)了(le)，所(suo)有(you)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)單(dan)體(ti)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)也(ye)都(dou)將(jiang)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)，從(cong)而(er)使(shi)輸(shu)出(chu)達(da)不(bu)到(dao)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)。

youxuduozhongfangfakeyimibuzhezhongqingkuang，wanquanyilaitaiyangnengfadianxitongdeshejileixing。zaidaxingdezhongxinfadianzhan，dianchidantitongchangpailiezaimeiyouzhedangdekaifangquyu
，shenzhihuizhuizongtaiyangzaitiankongdejiaodu
，laizairenheshihoudounenggouweichizuidadezhijieguangzhao。

然ran而er，在zai稍shao微wei小xiao一yi些xie的de太tai陽yang能neng發fa電dian係xi統tong中zhong，太tai陽yang能neng電dian池chi陣zhen列lie能neng夠gou以yi不bu同tong的de角jiao度du重zhong新xin排pai列lie來lai獲huo得de最zui大da最zui直zhi接jie的de光guang照zhao。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，整zheng個ge陣zhen列lie被bei劃hua分fen為wei不bu同tong的de區qu域yu，每mei個ge區qu域yu可ke以yi獨du立li工gong作zuo
，它ta們men輸shu出chu的de直zhi流liu電dian壓ya可ke以yi疊die加jia。控kong製zhi器qi能neng夠gou將jiang電dian流liu輸shu入ru到dao輸shu出chu功gong率lv較jiao低di的de區qu域yu來lai平ping衡heng和he優you化hua整zheng個ge太tai陽yang能neng電dian池chi陣zhen列lie的de輸shu出chu電dian流liu。
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新技術開發

在(zai)光(guang)伏(fu)能(neng)源(yuan)領(ling)域(yu)，一(yi)種(zhong)被(bei)稱(cheng)為(wei)微(wei)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)新(xin)發(fa)明(ming)是(shi)非(fei)常(chang)有(you)前(qian)途(tu)的(de)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)它(ta)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)安(an)裝(zhuang)的(de)效(xiao)率(lv)
，並(bing)有(you)助(zhu)於(yu)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)從(cong)每(mei)個(ge)麵(mian)板(ban)所(suo)獲(huo)得(de)的(de)所(suo)有(you)能(neng)量(liang)。在(zai)美(mei)國(guo)，小(xiao)型(xing)到(dao)中(zhong)型(xing)設(she)備(bei)的(de)安(an)裝(zhuang)非(fei)常(chang)普(pu)遍(bian)。因(yin)此(ci)，每(mei)片(pian)太(tai)陽(yang)能(neng)麵(mian)板(ban)接(jie)有(you)250～500W的逆變器，並將不同的直流輸入電壓轉換為固定的交流輸出電壓。

中(zhong)心(xin)逆(ni)變(bian)器(qi)可(ke)以(yi)被(bei)設(she)計(ji)成(cheng)具(ju)有(you)更(geng)窄(zhai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)，更(geng)高(gao)驅(qu)動(dong)效(xiao)率(lv)，因(yin)此(ci)輸(shu)出(chu)增(zeng)益(yi)得(de)到(dao)了(le)倍(bei)增(zeng)。這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)的(de)挑(tiao)戰(zhan)就(jiu)是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)麵(mian)板(ban)需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)苛(ke)刻(ke)的(de)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)，能(neng)夠(gou)耐(nai)高(gao)溫(wen)和(he)溫(wen)度(du)循(xun)環(huan)衝(chong)擊(ji)。因(yin)此(ci)
，利(li)用(yong)像(xiang)SuperMOS和Stealth二極管這類魯棒性非常好的半導體器件就能夠達到非常低的失效率。對於非隔離的單相工作形式，功率器件的耐壓通常需要達到600V。

另一種方法就是采用H橋qiao接jie逆ni變bian器qi串chuan聯lian形xing成cheng合he適shi的de尺chi寸cun，並bing將jiang每mei個ge逆ni變bian器qi的de一yi相xiang連lian接jie到dao串chuan聯lian鏈lian路lu中zhong下xia一yi個ge逆ni變bian器qi的de另ling一yi相xiang。通tong過guo這zhe種zhong方fang式shi，運yun用yong合he適shi的de控kong製zhi技ji術shu
，Hqiaojiejiukeyixingchengduogenibianqidezuhe。youyumeigetaiyangnengdianchimianbanzaidianqishangyuxiayigejueyuan，tamendeshuchujiukeyidiejiazaiyiqi
，bingqiegonglvqijiandenaiyakeyiweichizaidiyu100V的程度。

還有許多其他類型的拓撲結構也是可能用在光伏能源領域的，有一些已經在使用了。一種三級逆變器就是把IGBT和FET器件串聯在每個供電母線和線路之間
，並在二者之間的分支上通過二極管鉗位到中性相上。由於這種逆變器本身的效率可以超過98%，所以在中到高功率應用中逐漸普及。

在更大的三相安裝形式中
，還有另外一種流行的拓撲結構，就是中性點鉗位逆變器。它包括一個常規的IGBT逆變器橋，其每相都通過雙向IGBT開關連接到中性點。這種拓撲通常需要高功率、耐壓1200V的IGBT器件。
 

而另外一種拓撲結構的思想促進了電流源逆變器（如圖4所示）的出現，它超越了前麵所描述的電壓源逆變器。這種拓撲結構的主要優點是不需要升壓單元和輸出功率到線路上的精細電壓控製電路。
 

圖4 電流源逆變器不需要升壓電路和電壓控製電路
 

IGBT器件結構朝著更薄的矽襯底和溝道型柵極器件發展（如圖5所示）。具有很深n+緩衝和p+摻雜襯底（通孔類型）的基於EPI類型的早期器件已經被具有植入陽極（非通孔類型）的薄形、大體積晶圓和具有植入緩衝器和陽極的相對場截止薄型晶圓所代替。背麵攙雜種類、退火條件和方法可以不同
，而且包括擴散、快速熱退火和激光退火等。為了使這種結構的器件正常工作，晶圓被做得很薄
，甚至放在手裏都會彎曲（如圖5所示）。
 

圖5 IGBT器件結構的發展趨勢是更薄的矽襯底和采用溝道型柵極
 

最近十幾年，常規600V MOSFET管已經逐漸被稱之為超結點的一類MOSFET管所代替。它們通常在一個n型底層中由帶有埋藏p型層的多個外延n型層合並到一起來形成p型列。SuperFETqijianjiushuyuzhelei。zuijin，yizhonggengxindegongyiliuchengzaixiaolvhegonglvmidufangmiantigonglekongqiandexingneng。gengshendegoudaoshikehewaiyantianchongkeyizhizaochumidugenggao
、電阻更低的FET管
，稱之為SupreMOS器件。

 

使用DC/DC轉換器的太陽能發電係統可以利用中間電壓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通電阻是常規溝道MOSFET管的一半。新技術使用充電平衡的方法來降低外延耗盡漂移區的電阻，以及一個屏蔽柵極來降低柵-漏電容，以此改善開關特性和降低損耗。

 

許多低於30kW的設計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，功率範圍在100W～10kW之間、性能卓越的智能功率模塊也已經麵市，並且可以在很大程度上減少係統設計的複雜性。

 

在橋接逆變器拓撲中，絕大部分模塊提供控製功率器件所必需的柵極電平升壓驅動電路。轉模封裝（Transfer-molded）的生產方法可以使太陽能設計工程師設計出高度更低、材料更少和成本更低的太陽能電池發電係統。

 

在新係統架構

、控kong製zhi方fang法fa和he器qi件jian設she計ji中zhong的de持chi續xu創chuang新xin使shi得de太tai陽yang能neng的de利li用yong效xiao率lv更geng高gao。這zhe些xie進jin步bu包bao括kuo從cong全quan球qiu政zheng府fu部bu門men對dui清qing潔jie能neng源yuan的de有you力li推tui動dong
，使shi太tai陽yang能neng利li用yong的de前qian途tu真zhen正zheng變bian得de光guang明ming。