圖1. 2019 – 2024年按技術(shù)分類(lèi)的可再生能源產(chǎn)能增長(zhǎng)
碳化硅在分布式光伏發(fā)電逆變器上的絕佳應(yīng)用案例
發(fā)布時(shí)間:2020-12-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】消費(fèi)者、各行業(yè)及政府都在采取各項(xiàng)措施以增加對(duì)可再生能源的利用,這正在將發(fā)電和輸配電系統(tǒng)從中心化的電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成更加智能化網(wǎng)格化的,支持本地發(fā)電的拓?fù)?,并通過(guò)智能電網(wǎng)互連來(lái)平滑供需。
消費(fèi)者、各行業(yè)及政府都在采取各項(xiàng)措施以增加對(duì)可再生能源的利用,這正在將發(fā)電和輸配電系統(tǒng)從中心化的電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成更加智能化網(wǎng)格化的,支持本地發(fā)電的拓?fù)洌⑼ㄟ^(guò)智能電網(wǎng)互連來(lái)平滑供需。
根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)2019年10月的報(bào)告,到2024年,可再生能源發(fā)電量將增長(zhǎng)50%。這意味著全球可再生能源發(fā)電量將增加1200GW,相當(dāng)于美國(guó)目前的裝機(jī)量。該報(bào)告預(yù)測(cè),可再生能源中約有60%將以太陽(yáng)能光伏(PV)的形式出現(xiàn)。
可再生能源的增長(zhǎng)
圖1. 2019 – 2024年按技術(shù)分類(lèi)的可再生能源產(chǎn)能增長(zhǎng)
IEA報(bào)告還強(qiáng)調(diào)了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要性,因?yàn)橄M(fèi)者,商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施開(kāi)始生產(chǎn)自己的電力。它預(yù)測(cè),到2024年,分布式光伏發(fā)電總?cè)萘繉⒎环陨?,超過(guò)500GW。這意味著分布式光伏發(fā)電將占太陽(yáng)能光伏總增長(zhǎng)的近一半。
圖2. 2007 – 2024年分布式光伏產(chǎn)能增長(zhǎng)情況
光伏的優(yōu)勢(shì)
為什么太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源容量的增長(zhǎng)如此重要?一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能非常容易直接利用,尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)或離網(wǎng)區(qū)域。另一個(gè)明顯的原因是太陽(yáng)能很多,根據(jù)計(jì)算,海平面上,每平方米每天可產(chǎn)生1kW電力,如果考慮諸如日/夜周期,入射角,季節(jié)性等因素,每天每平方米或可以產(chǎn)生6kWh電量。
太陽(yáng)能發(fā)電利用光電效應(yīng)將入射光轉(zhuǎn)化為電能。光子被半導(dǎo)體材料(例如摻雜的硅)吸收,它們的能量將電子激發(fā)出其分子或原子軌道。然后,這些電子可將其多余的能量作為熱量散失并返回其軌道,或者傳播到電極并形成電流。
與所有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一樣,并非所有輸入太陽(yáng)能電池的能量都以首選的電形式輸出。實(shí)際上,多年來(lái),單晶硅太陽(yáng)能電池的效率一直徘徊在20%至25%之間。但是,太陽(yáng)能光伏發(fā)電的機(jī)會(huì)是如此巨大,以至于數(shù)十年來(lái),研究團(tuán)隊(duì)一直在努力使用日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料來(lái)提高電池轉(zhuǎn)換效率,如NREL的這張圖所示。
圖3. 1976年至2020年全球研究太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)展(NREL)(此圖由美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供)
通常,以使用多種不同材料和更復(fù)雜,更昂貴的制造技術(shù)為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)所示的更高效率。
許多太陽(yáng)能光伏設(shè)備依靠各種形式的多晶硅或硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵的薄膜,轉(zhuǎn)換效率在20%至30%的范圍內(nèi)。單元內(nèi)置在模塊中,這些模塊是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元。
效率挑戰(zhàn)
20%-30%是理想狀態(tài),實(shí)際上轉(zhuǎn)換效率可能會(huì)因各種原因而降低轉(zhuǎn)換效率:降雨,積雪和灰塵沉積,材料老化以及環(huán)境變化,例如由于植被的生長(zhǎng)或新建筑物的安裝而增加陰影。
因此,實(shí)際的現(xiàn)實(shí)是,盡管太陽(yáng)能是免費(fèi)的,但利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能需要仔細(xì)優(yōu)化,包括轉(zhuǎn)換,存儲(chǔ)等每個(gè)階段。提高效率的最大技術(shù)之一是逆變器的設(shè)計(jì),該逆變器將太陽(yáng)能電池陣列(或其電池存儲(chǔ))的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流,以便直接消耗或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。
逆變器通過(guò)切換直流輸入電流的極性來(lái)工作,使其接近交流輸出。開(kāi)關(guān)頻率越高,轉(zhuǎn)換效率越高。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)即可產(chǎn)生方波輸出,可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載,但是諧波會(huì)損失更多的電流。因此,逆變器需要平衡開(kāi)關(guān)頻率以提高效率、工作電壓和功率容量,此外還需要針對(duì)最小化方波的輔助組件成本之間的進(jìn)行平衡。
SiC的優(yōu)勢(shì)
碳化硅(SiC)在太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用中比硅具有多種優(yōu)勢(shì),其擊穿電壓是傳統(tǒng)硅的十倍以上, SiC器件還具有比硅更低的導(dǎo)通電阻,柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性,以及更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著SiC器件可以在比硅等效器件更高的電壓,頻率和電流下切換,同時(shí)更有效地管理散熱。
MOSFET在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中受到青睞,因?yàn)樗鼈兪菃螛O器件,這意味著它們不使用少數(shù)載流子。既使用多數(shù)載流子又使用少數(shù)載流子的硅雙極型器件(IGBT)可以在比硅MOSFET高的電壓下工作,但是由于它們?cè)谇袚Q時(shí)需要等待電子和空穴重新結(jié)合以及耗散重組能量,因此其開(kāi)關(guān)速度變慢。
硅MOSFET廣泛用于高達(dá)300V的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中,高于該電壓時(shí),器件的導(dǎo)通電阻上升,設(shè)計(jì)者不得不轉(zhuǎn)向較慢的雙極器件。 SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來(lái)制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET,同時(shí)保留了低壓硅器件的快速開(kāi)關(guān)速度優(yōu)勢(shì)。開(kāi)關(guān)性能也相對(duì)獨(dú)立于溫度,從而在系統(tǒng)升溫時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。
由于功率轉(zhuǎn)換效率與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān),因此,SiC既可以處理比硅更高的電壓,又可以確保高轉(zhuǎn)換效率所需的超高轉(zhuǎn)換頻率,因此實(shí)現(xiàn)了雙贏。
SiC的導(dǎo)熱系數(shù)也是硅的三倍,可以在更高的溫度下運(yùn)行。硅在175℃左右就無(wú)法正常運(yùn)行,甚至在200攝氏度時(shí)直接會(huì)變成導(dǎo)體。而SiC直到1000℃左右才發(fā)生這種情況??梢酝ㄟ^(guò)兩種方式利用SiC的熱特性。首先,它可以用于制造功率轉(zhuǎn)換器,而該轉(zhuǎn)換器所需的冷卻系統(tǒng)要少于等效的硅系統(tǒng)。另外,SiC在較高溫度下的穩(wěn)定運(yùn)行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),例如車(chē)輛和蜂窩基站。
這些優(yōu)勢(shì)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率更高的功率升壓電路中發(fā)揮了重要作用。該電路設(shè)計(jì)為使太陽(yáng)能電池陣列的輸出阻抗(隨入射光的水平而變化)與逆變器所需的輸入阻抗相匹配,以實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)換。
圖4:引入SiC器件以提高太陽(yáng)能升壓電路的效率(ON Semiconductor)
最左圖顯示了成本最低的方法,該方法使用硅二極管和MOSFET。如中圖所示,第一個(gè)優(yōu)化方案是用SiC版本取代硅二極管,這將提高電路的功率密度和轉(zhuǎn)換效率,從而降低系統(tǒng)成本。如右圖所示,也可以用SiC等效替代硅MOSFET,這為設(shè)計(jì)人員提供了更多的開(kāi)關(guān)頻率選擇,從而進(jìn)一步提高了電路的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。
采用熟悉的TO220和TO247封裝的安森美半導(dǎo)體SiC肖特基二極管,額定電壓和電流高達(dá)1200V和20A。它還為模塊制造商提供裸芯片,額定電壓和電流高達(dá)1200V和50A。
還有許多采用熟悉的D2PAK和TO247格式的1200V SiC MOSFET,典型RDSon低至20mW。
該公司還銷(xiāo)售混合模塊,該模塊將硅IGBT和SiC二極管結(jié)合在一起,例如功率集成模塊(PIM)。它具有雙升壓特性,包括了兩個(gè)40A / 1200V IGBT,兩個(gè)15A / 1200V SiC二極管和兩個(gè)用于IGBT的25A / 1600V反并聯(lián)二極管。另外兩個(gè)25A / 1600V旁路整流器可限制浪涌電流,并且該模塊還帶有熱敏電阻保護(hù)。
對(duì)于那些想要在太陽(yáng)能光伏裝置中利用SiC的人,安森美半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了一系列兩通道或三通道的SiC升壓模塊,用于太陽(yáng)能逆變器。
SiC功率器件比硅替代品具有許多優(yōu)勢(shì),包括其切換高壓的能力以及高速,低損耗和良好熱性能的電流。盡管目前它們?cè)谕?lèi)基礎(chǔ)上可能比硅產(chǎn)品更貴(如果可以使用硅替代產(chǎn)品),但它們?cè)谙到y(tǒng)內(nèi)的良好性能可以帶來(lái)總成本的節(jié)省,例如散熱成本,面積成本等。然后是效率問(wèn)題,如果部署SiC可以提高2%的效率,那將產(chǎn)生額外的10GW電能。
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