宽带隙技术：住宅串式逆变器的重要推动力量

作者：Damijan Zupancic，英飞凌科技太阳能和储能系统（ESS）应用市场经理
 
 
太阳能目前是美国增长最快的电力来源之一，近年来住宅太阳能装机也呈指数级增长，这主要归结于对可再生能源的需求、太阳能电池阵列价格的下降以及政府的各种激励和投资。此外，太阳能技术在美国全国范围内的应用普及也越来越广泛。传统上，大多数太阳能技术的采用和安装都是由加利福尼亚州主导，但在前几年得克萨斯州、纽约州、佛罗里达州和伊利诺伊州等其他州都出现了大幅增长。
 
目前的市场预测表明，到2030年，约有1亿户家庭将安装屋顶太阳能光伏电池。住宅太阳能系统由几个关键部件组成，其中包括太阳能电池和面板、逆变器和储能设备（通常是电池）。逆变器是系统的重要组成部分，它会对系统性能以及系统的总体成本产生重大影响。最近由于技术和制造工艺进步，降低了逆变器的成本，并使设备更加可靠。
 

图1：https://www.seia.org/solar-industry-research-data。

 
自20世纪50年代和60年代太阳能电池板问世以来，太阳能逆变器就一直存在。在那些年代，逆变器的主要构成元件为继电器，它们将直流电转换为交流电。直到20世纪70年代和80年代，随着半导体技术取得巨大进步，才诞生了基于晶体管的逆变器。基于晶体管的逆变器可提供更高的效率、更可靠的设计以及更紧凑的设备。直到20世纪90年代串式逆变器才得以引入，串式逆变器是当今住宅太阳能系统中常见的两种逆变器拓扑之一，另一种是微型逆变器。微型逆变器直接安装在太阳能电池板的背面，并将电流从直流转换为交流。而串式逆变器将所有太阳能电池板串联在一起，然后在单一点将电流从直流转换为交流。
 
在21世纪初，当时的绝缘栅双极晶体管（IGBT）能够为太阳能逆变器应用提供最佳性能。IGBT基本上是具有金属氧化物半导体栅极结构的双极晶体管，这种架构允许器件像MOSFET一样控制，同时能够处理比当时的MOSFET器件更高的电流。有了这些器件，逆变器的设计便能够提供更低的开关和传导损耗，同时减少可闻噪声和谐波的产生。这些器件中一个例子是英飞凌的600V/1200V TRENCHSTOP IGBT。
 
最终，MOSFET器件的进步为太阳能逆变器应用提供了一种替代选择。诸如OptiMOS N沟道功率MOSFET之类的器件能够以极具竞争力的价格提供高效率和功率密度。最近，宽带隙（WBG）器件开始展现竞争优势，使其对当前和未来的太阳能逆变器应用更具吸引力。碳化硅（SiC）等WBG技术已展现出显著提高的功率转换效率，这有助于节省能源，同时还可以降低逆变器设备的尺寸和重量。系统的尺寸和重量非常重要，因为它可以减轻安装和维护的负担。下图所示，为太阳能逆变器应用中晶体管器件的发展历程。
 

下面的图表可以证明SiC能够提供比Si更高的效率，在图中，红色迹线（trace line）表示Si器件，绿色迹线表示SiC器件。可以看出，SiC器件不仅提供更高的效率，还可以在更高开关频率下具有更大的效率改进。在70KHz开关频率下，1.3%的效率改善可导致58.5W的功率损耗差异。较低的功率损耗可使部件工作温度显著降低，这有助于减少所需的热管理解决方案。
 

 
总体而言，SiC和GaN等宽带隙半导体器件目前是下一代太阳能逆变器设计的最佳选择。它们可以在更高电压下提供许多优势，例如更高的效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。此外，宽带隙器件还允许采用更高的开关频率。因此，与其他竞争技术相比，宽带隙设计可以使用较低值的电感，能够实现总体较高的功率密度。由于宽带隙设备所能提供的众多优势，它们将继续成为未来创新太阳能逆变器设计的理想选择。
 
参考资料：

太阳能行业研究数据|SEIA

2023年住宅太阳能行业最大趋势| SolarTech（solartechonline.com）

到2030年，约有1亿家庭会依靠屋顶太阳能光伏发电，国际能源署分析报告

太阳能系统的组成部件都有哪些？ | LG 美国

(2) 2023年太阳能行业需要关注的5个关键趋势|领英

串式逆变器：优点和缺点说明 (sinovoltaics.com)

为太阳能逆变器应用正确选择IGBT (infineon.com)

是什么让SiC成为串式逆变器的完美解决方案？--- 英飞凌开发者社区