新半导体技术对微电网的发展有怎样的帮助

微电网以某种形式存在了很长时间。在 20 世纪初，当公用事业供应出现故障时，他启动柴油发电机以保持灌溉泵和房屋灯正常工作的农民可能不认识这个词。尽管如此，他仍在建立微电网的定义——一组本地互连的负载和一个可以独立于国家电网运行的能源。

营销人员像往常一样喜欢这个命名法，宏用于主电网，毫用于大型安装或独立电网的集合，微型甚至纳米电网可能只不过是一个背包式太阳能电池板顶部徒步旅行时拿起你的手机。

微电网是当今备受关注的一个领域，通常为农场、偏远工厂、医院或军事场所等设施供电。到 2025 年，全球市场预计将达到 474 亿美元左右，年复合增长率超过 10%，微电网可以完全独立或孤岛，在发生故障时作为主电网的备用，甚至是当本地能源超过本地需求时，主电网。

使用微电网的驱动因素是为没有公用事业基础设施的偏远地区提供电力，抵御主电网故障，以及灵活使用当地可再生能源，如水力、太阳能、风能、地源和热电联产(CHP)，以减少对环境的影响并降低成本。安全性也是一个日益受到关注的问题，特别是对于数据中心、医院和军事基地等关键设施而言，对主要公用事业供应的网络攻击是真正可能的。在这里，我们将回顾微电网的类型和电力转换安排以及每种类型的好处。

智能微电网是效率的关键

国内微电网布置可能如图 1 所示，固定太阳能电池板通过与主电网同步的逆变器替换或贡献公用电力。大容量锂离子或磷酸铁锂电池可能会保持充电状态，并可在天黑后提供电源，或者在主电源出现故障时提供备用电源。除了照明、供暖和厨房/公用设备等典型的家庭负载外，电动汽车充电也越来越多地出现。理想情况下，它应该来自当地的可再生能源，如太阳能，以保持其绿色证书。智能控制，个性化微电网安装，从太阳能电池板中获得最大效率，同时调度负载以最小化影响。多余的能量可以从太阳能电池板甚至电动汽车电池自动返回到主电网，

图 1：典型的国内微电网布置。（来源：贸泽电子）

一家工厂将有一个更复杂的微电网布置，可能有多种能源， 如图 2 所示。工厂环境的成本效益分析比国内情况更复杂。; 停电期间的生产损失是一项真正的成本，而智能环境带来的额外生产力和更低的能源成本是真正的好处。

图 2：工厂环境中的典型微电网布置。（图片经劳斯莱斯动力系统公司许可转载）

该图显示了各种可再生能源（如风能和太阳能）如何与传统发电机组相结合，在需要时提供完全独立的电力和加热，所有这些都在无线通信的智能控制下。该系统可以与工业4.0集成或工业物联网 (IIoT) 概念。这将物理生产和运营与智能数字技术、机器学习和大数据相结合，为专注于制造和供应链管理的公司创建一个更全面、更紧密连接的生态系统。在家庭和工业应用中都必须仔细考虑微电网架构，不仅要考虑功能，还要考虑电效率，以实现所希望的节能。

功率转换效率对回报至关重要

即使在国内比较简单的安装图1，电子功率转换有多个阶段：太阳能电池板的输出直流必须使用具有最大功率点跟踪 (MPPT) 的智能 DC-DC 转换器转换为蓄电池电压，以提取最大能量，逆变器将电池直流转换为交流线电压，电池充电器确保电池在太阳能输入不可用时保持满容量，双向转换器从交流电为电动汽车电池充电，但通常在夜间反向传输电力。其他可能的电源有其功率转换要求，例如带有输出可变频率和振幅交流电的感应发电机的风力涡轮机，转换为与公用事业兼容的水平。当然，在工业环境中，复杂性要高得多。

所有这些功率转换阶段都会以热量的形式损失一些能量，这代表了金钱损失和更长的投资回收期，因此效率是一个主要问题。在某些情况下，可以回收热量，也许供社区使用。机会是有限的，因此更有可能在冷却系统中花费更多的能量和成本来提取热量并避免对功率转换电子设备的压力。

新半导体控制成本、尺寸、节省

微电网中的各种功率转换阶段都使用开关模式技术——半导体开关以高频斩波输入直流或整流交流电压，然后通过一个相对较小的变压器将电压通过整流器缩放回直流，或通过滤波器转换为交流. 通过半导体开关动作的脉冲宽度调制 (PWM) 实现将输出调节为恒定直流或 50/60Hz 交流。

在更高的功率下，半导体开关的选择直到最近还仅限于绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，它必须以相对缓慢的速度进行开关才能获得可接受的效率：IGBT 在关闭时不消耗功率，而在开启时有一些传导损耗，但当它们在两种状态之间转换时，它们可以承受以千瓦为单位的瞬态功率（图 3）。每秒的转换次数（频率）越多，耗散就越高。出于这个原因，开关频率最多只有几十 kHz，这会产生影响。变压器和其他磁性元件（如滤波器）必须很大，因此成本很高。

图 3：半导体开关转换期间的功耗可能很高。（来源：贸泽电子）

提高开关频率一直是功率转换器设计人员的设计目标，以实现尺寸和成本节约，因此其他半导体器件被认为具有较低的开关损耗，主要竞争者是 MOSFET。然而，这些器件的额定功率有限，并且传导损耗可能高于 IGBT——MOSFET 表现出导通电阻，其功耗与电流值的平方成正比。IGBT 表现出相对恒定的压降，因此功耗与电流大致成正比。因此，在大电流下，MOSFET 可能有损耗，并且当考虑到能量损失和所需的更大、更昂贵的冷却时，更高频率运行的好处就被否定了。

新一代开关——宽带隙 (WBG) 半导体已经问世，在不影响效率的情况下，开关速度有了显着提高。这些器件采用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 制造，开关速度比传统硅快，任何瞬态损耗都极小。结合非常低的导通电阻和固有的高温能力，采用 WBG 技术设计的设备更小、更高效，这不仅是因为设备本身，还因为更高的开关频率可以实现更小的相关组件，例如变压器和滤波器。这一切都直接体现在低采购和运行成本、快速回报和更小的环境足迹。公司如CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm和许多其他公司在 WBG 半导体领域都很活跃，这些器件可从Mouser Electronics获得。

结论

微电网具有独立性、弹性、安全性和最大限度地利用本地可再生能源的能力。微电网可以为农场、偏远工厂、医院或军事场所等设施供电。它们的多功能性和持续发展是微电网行业到 2025 年增长达到约 474 亿美元的原因。

审核编辑：符乾江