碳化硅如何实现更高效的分布式太阳能发电

消费者、行业和政府都在采取措施增加对可再生能源的使用。这正在重塑发电和配电系统，从主要集中的轮辐式架构转变为更加基于网格的本地化发电和消费方法，并由智能电网互连支持，以平滑供需。

根据国际能源署 （IEA） 2019 年 10 月的燃料报告，到 2024 年，可再生能源发电容量将增长 50%。这是额外的 1200GW 全球发电容量，相当于美国目前的装机容量。该报告预测，这一增长的 60% 将以太阳能光伏 （PV） 装置的形式出现。

图 1. 2019 年至 2024 年按技术划分的可再生能源容量增长

该报告还强调了分布式光伏发电系统的重要性，因为消费者、商业建筑和工业设施开始自行发电。它预测，到 2024 年，分布式光伏总发电量将翻一番以上，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.分布式光伏CAPAC我TY由段增长，二零零七年至2024年

太阳能优势

为什么太阳能光伏发电在可再生能源产能增长中占据如此领先的地位？一个明显的原因是太阳照耀着我们所有人，因此它的能量非常广泛可用。这对于通过使发电更接近消费以及将电力输送到离网地点来减少配电损失特别有用。

另一个明显的原因是太阳能太多。计算地球从太阳接收的能量有很多细微差别，但一个经验法则表明，在晴朗的日子里，海平面上平均每平方米 1 千瓦，或每天每平方米 6 千瓦时。考虑因素，例如昼夜循环、入射角、季节性等。

太阳能电池利用光电效应将这种作为光子流带到地球的入射能量转化为电能。光子被半导体材料（例如掺杂硅）吸收，它们的能量将电子激发出其分子或原子轨道。然后，这些电子可以自由地以热量的形式耗散其额外的能量并返回其轨道，或者行进到电极并成为电流的一部分，该电流流动以中和因它们在电极上的存在而产生的电位差。

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优选的电形式输出。事实上，单晶硅太阳能电池的效率多年来一直徘徊在 20% 到 25% 之间。然而，太阳能光伏的机会如此巨大，以至于研究团队几十年来一直致力于提高电池转换效率，使用越来越复杂的结构和材料，如这张来自 NREL 的图表所示。

图 3.全球最佳研究太阳能电池的转换效率– 1976 年至 2020 年 （NREL）（该图由美国国家可再生能源实验室提供，Golden， CO。）

所示的更高效率通常是以使用多种不同材料和更复杂、更昂贵的制造技术为代价来实现的。

许多太阳能光伏装置依赖于各种形式的晶体硅或硅薄膜、碲化镉或铜铟镓硒，转换效率在 20% 到 30% 之间。电池组装成模块，这些模块设计为安装人员在构建太阳能光伏发电系统时使用的基本单元。

效率挑战

PV转换将入射到地球表面每平方米的千瓦太阳能转化为200W至300W的电能。当然，这是在理想条件下。电池表面沉积的雨、雪和灰尘、半导体材料的老化效应以及环境变化（例如由于植被生长或新建筑物的建造而增加阴影）都会降低转换效率。

因此，实际情况是，虽然太阳能是免费的，但使用它来创造有用的电能涉及仔细优化其捕获、存储和转换为电能的每个阶段。提高效率的最大机会之一是逆变器的设计，该逆变器将太阳能电池阵列（或其电池组）的直流输出转换为交流电流，用于直接消耗或通过电网传输。

逆变器的工作原理是切换直流输入电流的极性，使其接近交流输出。开关频率越高，转换效率越高。简单的开关会产生方波输出，这对于驱动电阻性负载是可以的，但其谐波会损坏设计为由纯正弦波交流电供电的更复杂的电子设备。因此，逆变器设计成为在提高开关频率以提高效率、工作电压和功率容量与最小化用于平滑方波的辅助组件的成本之间的平衡行为。

碳化硅的优势

碳化硅 （SiC）在太阳能管理方面比硅具有多种材料优势，这源于带隙，即使电子导电所需的能量几乎是硅的三倍。这意味着 SiC 器件在发生故障之前将维持几乎是硅的 10 倍的电场，从而使 SiC 器件能够在比硅内置的类似结构高得多的电压下高效运行。SiC 器件还具有比硅低得多的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，以及更高的热导率。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，同时更有效地管理热量积聚。

SiC 用于制造在硅中不实用的器件。MOSFET 在开关应用中受到青睐，因为它们是单极器件，这意味着它们不使用少数载流子。硅双极器件同时使用多数载流子和少数载流子，可以在比硅 MOSFET 更高的电压下工作，但由于需要等待电子和空穴在切换时重新结合以及耗散重新结合的能量，因此它们的开关速度变慢。

硅 MOSFET 广泛用于高达约 300V 的开关应用，高于该值时，器件的导通电阻上升到设计人员必须转向速度较慢的双极替代方案的程度。SiC 的高击穿电压意味着它可用于构建比硅材料更高电压的 MOSFET，同时保留低电压硅器件的快速开关速度优势。开关性能也相对独立于温度，从而在系统升温时实现一致的性能。

由于功率转换效率与开关频率直接相关，因此 SiC 既能够处理比硅更高的电压，又能够以确保高转换效率所需的高速开关，从而成为双重赢家。

SiC 的热导率也是硅的三倍，因此可以在更高的温度下运行。硅在 175C 左右停止充当半导体，并在 200C 左右成为导体，而 SiC 直到达到 1000C 左右才会发生这种情况。可以通过两种方式利用 SiC 的热特性。首先，它可用于制造比等效硅系统需要更少冷却的电源转换器。或者，碳化硅在较高温度下的持续运行可用于在空间非常宝贵的情况下（例如车辆和蜂窝基站）制造非常密集的功率转换系统。

我们可以看到这些优势在功率升压电路中发挥作用，使太阳能转换效率更高。该电路旨在将太阳能电池阵列的输出阻抗（随入射光的水平而变化）与逆变器所需的输入阻抗相匹配，以实现最有效的转换。

图 4：引入 SiC 器件以提高太阳能升压电路的效率 （ON Semiconductor）

最低成本的方法显示在最左边的图表中，使用硅二极管和 MOSFET。第一个优化，如中间图所示，是用 SiC 版本替换硅二极管，这将增加电路的功率密度和转换效率，降低系统成本。用等效的 SiC 替换硅 MOSFET，如最右边的图表所示，为设计人员提供了更广泛的开关频率选择，进一步提高了电路的转换效率和功率密度。

安森美半导体® SiC 肖特基二极管的额定值高达 1200V 和 20A，采用熟悉的 TO220 和 TO247 封装。它还为模块制造商提供额定电压高达 1200V 和 50A 的裸片。

还有各种常见的 D2PAK 和 TO247 格式的 1200V SiC MOSFET，典型的 RDS On 数值低至 20mW。

该公司还销售结合了硅 IGBT 和 SiC 二极管的混合模块，例如这种功率集成模块。它具有双升压级，由两个 40A/1200V IGBT、两个 15A/1200V SiC 二极管和两个用于 IGBT 的 25A/1600V 反并联二极管组成。两个额外的 25A/1600V 旁路整流器限制浪涌电流，并且模块还受到热敏电阻的保护。

对于那些希望在太阳能光伏装置中利用 SiC 的人，安森美半导体还开发了一系列用于太阳能逆变器的两通道或三通道仅 SiC 升压模块。

与硅替代品相比，碳化硅功率器件具有许多优势，包括能够高速切换高电压和电流、低损耗和良好的热性能。尽管它们目前在同类基础上可能比硅等效物更昂贵（如果有硅替代品可用），但它们在系统中的性能可以带来节省，例如在冷却复杂性方面，这足以弥补这一点。然后是效率论据：如果部署 SiC 将 IEA 预计到 2024 年安装的所有分布式太阳能光伏系统的功率转换效率提高了 2%，那将创造惊人的 10GW 额外容量。

审核编辑：郭婷