碳化硅在分布式光伏发电逆变器上的绝佳应用案例
发布时间：2020-12-24 10:44:02 点击次数：284
顾客，行业和当局正在采取各种措施来增加可再造能源的使用。这正在将发电，输配电系统从集中式电网转变为赞同本地发电的愈发智能的电网。拓扑构造，通过智能电网互连使供需稳定。
根据国际能源署（IEA）2019年10月的报告，到2024年，可再造能源发电量将增长50％，这意味着世界可再造能源发电量将增加1200gw，相当于美国的当前水准报告预测，约60％的可再造能源将以太阳能光伏的形式出现（PV）。
可再生能源的增长
图1.2019-2024年可再造能源技术产能增长
IEA报告还强调了分布式光伏发电系统的重要性，因为顾客，商贸建筑物和工业设备开始生产自己的电力，并预测到2024年分布式光伏发电的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。
图2.2007–2024年分布式光伏产能的增长
光伏的优势
为什么太阳能光伏发电对可再造能源容量的增长如此最主要？一个显著的原因是太阳能十分易于直接使用，特别是在偏远地区或离网地区。另一个显著的原因是太阳能很多。根据计算，在水平面上每天每平方米可产生1千瓦的电力。如果考虑日/夜周期，入射角，季节性和其他因素，则每天每平方米可产生6千瓦时的电能。
太阳能发电运用光电效应将入射光转换为电能。光子被半导体材料（例如掺杂的硅）吸收，它们的能量将电子从分子或原子轨道中激发出来，然后这些电子可以将剩余的能量消退为加热并赶回其轨道，或散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电形式输出。事实上，多年来单晶硅太阳能电池的效率始终在20％到25％之间徘徊，但是太阳能光伏的机遇却很大如此极大的能量产生，数十年来，研究团队始终在奋斗使用日渐繁复的构造和材料来提高电池转换效率，如NREL所示。
图3.1976年至2020年全世界太阳能电池转换效率（nrel）研究的进展（此图由美国科罗拉多州国家可再造能源实验室提供）
一般而言，以使用多种不同的材料以及更繁复和高昂的制造技术为代价来实现所示的更高效率。
许多太阳能光伏装置借助于各种形式的多晶硅或硅，碲化镉或硒化铜铟镓薄膜，其转换效率在20％到30％的范围内。太阳能光伏发电系统的基本单位。
效率挑战
20％-30％是完美状况。实质上，转换效率或许由于各种原因而下降：降雨，积雪和尘埃，材料老化和环境变化，例如植被的生长或新构筑物的安装增加了影子。
因此，实际上情形是，尽管太阳能是免费的，但太阳能发电需要细心优化，包括转换，存储等各个阶段。提高效率的一项最主要技术是逆变器的设计。，它将太阳能电池阵列的直流输出（或其电池存储）转换为交流电流，以直接损耗或通过电网传输。
逆变器通过切换直流输入电流的极性使其相近交流输出来工作。开关频率越高，转换效率越高。简便的开关就可以产生方波输出，从而可以驱动载荷，但是谐波会损失更多电流。因此，逆变器需要均衡开关频率以提高效率，工作电压和功率容量，还需要平衡小化方波辅助组件的成本。
SiC的优势
碳化硅（SiC）在太阳能应用中比硅有着许多优势。它的击穿电压是传统硅的十倍以上。SiC器件的导通电阻和栅极电荷也比硅更低。以及反向回复电荷特性和更高的热导率。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在切换应用程序中受到青睐，因为它们是单极器件，这意味着它们不使用少数载波。同时使用多数和少数载波的硅双极型器件（IGBT）可以比硅MOSFET更高的电压工作。，但是由于它们在切换时需要等候电子和空穴再度结合并耗散整合能量，因此其切换速度会变慢。
硅MOSFET被普遍用于高达300v的开关应用中。大于此电压，器件的导通电阻会升高，设计人员须要切换到较慢的双极型器件。SiC的高击穿电压意味着它可以用来使MOSFET远远大于硅中的也许，同时维持开关性能也相对单独于温度，从而在系统升温时实现安定的性能。
由于功率转换效率与开关频率直接相关，因此SiC不仅可以处置比硅更高的电压，而且可以保证高转换效率所需的超高转换频率，从而实现双赢。
SiC的导热系数也是硅的三倍，并且可以在更高的温度下工作。硅不能在175°c左右正常工作，甚至可以直接在200°c下变为导体。SiC并没有时有发生直到@1000℃左右为止。SiC的热特性有两种使用方式。首先，它可用于制造功率转换器，与同类硅系统相比之下，其所需的冷却系统更少。高温下的安定运行可用于制造空间颇为珍贵的密集功率转换系统，例如车和蜂巢基站。
这些优势在有着较高太阳能转换效率的功率升压电路中起着举足轻重功用。该电路旨在使太阳能电池阵列的输出阻抗（随入射光的水准而转变）与逆变器所需的输入阻抗相匹配。实现转化。
