功率半导体的应用-太阳能

太阳能是将可再生能源从太阳光转化为电能，可以直接使用光伏发电（PV）、间接使用聚光太阳能发电，也可以两者结合。聚光太阳能系统使用透镜或镜子以及太阳跟踪系统将大面积的阳光聚焦成小光束，光伏电池利用光伏效应将光转换为电流。

无变压器太阳能逆变器的基本结构，具有以下功能组：升压转换器和逆变器。

DC/DC升压转换器

DC/DC升压转换器有助于提高太阳能系统的效率、可靠性和可持续性。它们使太阳能系统更容易与电网连接，降低了能源损耗，并提供了更灵活的能源管理选项。

1. 太阳能电池组件匹配：太阳能电池板产生直流（DC）电力，但输出电压可能会因多种因素而变化，如天气条件和日照强度。DC/DC升压转换器可用于将电池板输出的低电压升压为所需的电网互连电压，以确保太阳能电池板的最佳工作状态。

2. 最大功率点跟踪（MPPT）控制：MPPT是一种技术，通过监测太阳能电池板的电流和电压，以确保系统以最大效率捕获太阳能。DC/DC升压转换器可在太阳能逆变器中用于实施MPPT控制，以最大程度地提高能源利用率。

3. 网络互连：太阳能电池板产生的电力需要与电网连接或存储在电池中以供后续使用。DC/DC升压转换器用于升压电池的输出电压，以满足电网互连的标准电压要求。

4. 多电池系统：在大型太阳能电力站和分布式能源系统中，通常需要连接多个太阳能电池板或电池组件。DC/DC升压转换器可以协调这些多个源，并确保它们以最佳效率工作。

5. 降低线路损耗：太阳能电池板通常安装在太阳能阵列中，并可能与能源存储系统之间距离较远。使用DC/DC升压转换器可以降低电力输送线路上的能量损耗，从而提高系统的整体效率。

6. 稳定电压和电流：太阳能系统的性能受到环境条件的影响，如阴天或阴雨天。DC/DC升压转换器有助于稳定输出电压和电流，以确保系统在各种条件下都能正常运行。

DC/DC升压转换器有助于提高太阳能系统的效率、可靠性和可持续性。它们使太阳能系统更容易与电网连接，降低了能源损耗，并提供了更灵活的能源管理选项。

逆变器

逆变器在太阳能应用领域中用于将太阳能电池板产生的直流（DC）电力转换为可供家庭、工业和商业用途的交流（AC）电力。逆变器根据其设计和功能的不同，可以分为不同类型，每种类型适用于特定的应用场景。

1. 弦式逆变器（String Inverter）：

- 应用场景：弦式逆变器适用于典型的住宅和商业太阳能系统。它们通常与一组太阳能电池板串联连接，将它们的输出汇总到一个逆变器上。这种配置适用于相对均匀的光照条件，如屋顶安装或小型商业太阳能系统。

2. 微逆变器（Micro Inverter）：

- 应用场景：微逆变器适用于那些需要最大化每个太阳能电池板性能的场景。每个太阳能电池板都配备一个微逆变器，将其直流输出转换为交流。这有助于降低系统中各个电池板之间的不均匀性，并使系统更适应变化多端的光照条件，如阴影覆盖或不均匀倾斜。

3. 多电池级逆变器（Multi-String Inverter）：

- 应用场景：多电池级逆变器适用于中等规模商业太阳能系统或农村电力系统。它们具有多个输入通道，可以连接多个太阳能电池板组，并具有更高的电力处理能力。这使它们适合在系统规模较大或太阳能电池板数量众多的情况下使用。

4. 集中式逆变器（Central Inverter）：

- 应用场景：集中式逆变器通常用于大型太阳能电站或工业规模太阳能系统。它们能够处理大量太阳能电池板的输出，将它们集中到一个中央逆变器中。这种配置降低了硬件和维护成本，适用于大规模能源产生。

5. 混合逆变器（Hybrid Inverter）：

- 应用场景：混合逆变器适用于联网与脱网应用，例如家庭能源存储系统。它们不仅可以将太阳能电池板的电力转换为电网供电，还可以将多余的电力存储在电池中，以供晚上或阴雨天使用。这有助于提高自给自足能源系统的可靠性。

6. 追踪逆变器（Tracking Inverter）：

- 应用场景：追踪逆变器用于系统具有多个太阳能电池板阵列的应用，可以根据太阳的位置动态调整每个阵列的输出以最大化能源产生。这种逆变器适用于要求高效率和精确跟踪的太阳能系统。

太阳能中使用的功率半导体

太阳能发电系统中使用的功率半导体作用于转换、调节和控制太阳能电池板产生的电力。主要的功率半导体有这些：

1. 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs）：

IGBTs通常用于大型太阳能逆变器，它们能够处理高功率应用，如工业太阳能系统。它们还用于控制电流流向和保护系统免受过载和短路的影响。IGBTs结合了普通双极型晶体管和场效应晶体管的优点，提供高性能和高电压承受能力，适用于高功率应用。

2. 场效应晶体管（Field-Effect Transistors, FETs）：

FETs在太阳能系统中用于开关和调节电流，例如，在充电控制和逆变器拓扑中。它们也用于最大功率点跟踪（MPPT）控制。FETs具有低导通电阻和高开关速度，使它们成为高效能源转换的理想选择，减少能源损耗。

3. 整流二极管（Rectifier Diodes）：

整流二极管用于太阳能逆变器和充电控制器中，将交流电转换为直流电，或将太阳能电池板输出的直流电传输到电池中。整流二极管具有低压降和快速反应时间，有助于减少功率损耗和提高电路效率。

在大多数情况下，逆变器使用基于硅技术的功率半导体，例如 MOSFET 和 IGBT，但优化效率和提高功率密度的需要需要提高逆变器开关频率。这反过来又要求功率开关实现低开关损耗——这是硅功率开关的一个主要问题。GaN 在高开关频率下实现超低开关损耗，因此是系统效率和功率密度的绝佳选择，正因如此GaN正在获得新关注。这体现出功率半导体在太阳能领域中的应用也在快速地发展中。