太阳能如何实现高效率的转化

光伏—“新基建”和“碳中和”的新宠儿 太阳能作为一种可再生的清洁资源，具有两大优势：   一是可以直接利用，特别是在偏远或者离网区域；二是它足够多：据计算，海平面上，每平方米每天可产生1kW电力，如果考虑日/夜周期，入射角，季节性等因素，每天每平方米或可以产生6kWh电量。

 

  尽管，我们每天都能见到的太阳能是免费的，但如何实现高效率的转化？  转化率20%-30%是理想状态，实际上转换效率可能会因各种原因而降低转换效率：降雨，积雪和灰尘沉积，材料老化以及环境变化，例如由于植被的生长或新建筑物的安装而增加阴影。  提高效率的最大技术之一是逆变器的设计，逆变器将太阳能电池的直流输出转换为交流电流，以便直接消耗或通过电网传输。逆变器通过切换直流输入电流的极性来工作，使其接近交流输出。  

 

  其工作原理是：开关频率越高，转换效率越高。简单的开关即可产生方波输出，可以驱动负载，但是谐波会损失更多的电流。因此，逆变器需要平衡开关频率以提高效率、工作电压和功率容量。  

△ Single Boost拓扑

碳化硅（SiC）应用优势  碳化硅用作光伏领域前景广阔，目前，我国碳化硅产业已经处于高速发展时期，它的快速发展也带动原材料与设备两个千亿级产业，链接多个核心市场。以光伏领域为例，CASA 数据评估：预计到2025年，碳化硅功率器件在光伏逆变器中的占比将高达50%。综合统计新增和更换两大市场，届时我国光伏领域碳化硅的需求量将达到16万片。  

 

△ 全球光伏预计新增装机规模   近年来，太阳能电池板的“大尺寸、高功率、大密度”发展趋势非常明显，传统光伏逆变器硅基器件无法满足效率和发热方面的需求，因此各方面性能更优越的碳化硅器件脱颖而出。  

 

  碳化硅（SiC）在太阳能发电应用中比硅具有多种优势，其击穿电压是传统硅的十倍以上， 比硅更低的导通电阻，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，同时更有效地管理散热。

 

 

 

△ Si与SiC在600V/700V效率对比   硅MOSFET广泛用于高达300V的开关应用中，高于该电压时，器件的导通电阻上升，设计者不得不转向较慢的双极器件。SiC的高击穿电压意味着它可以用来制造比硅中可能的电压高得多的MOSFET，同时保留了低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稳定的性能。    

 

 

 

  SiC的导热系数也是硅的3倍，可以在更高的温度下运行。硅在175℃左右就无法正常运行，甚至在200摄氏度时直接会变成导体。而SiC直到1000℃左右才发生这种情况。   可以通过两种方式利用SiC的热特性。首先，它可以用于制造功率转换器，而该转换器所需的冷却系统要少于等效的硅系统。另外，SiC在较高温度下的稳定运行可用于空间非常宝贵的情况下制造密集的电源转换系统，例如车辆和蜂窝基站。  

 

  由于功率转换效率与开关频率直接相关，因此，SiC既可以处理比硅更高的电压，又可以确保高转换效率所需的超高转换频率，实现了双赢。 

 

  “十四五”战略规划和2035年远景目标提出，要加速推动碳化硅等第三代半导体产业化进程。未来随着光伏发电市场的蓬勃发展，光伏逆变器的应用将大幅增长。弹性市场需求叠加刚性政策目标，“光伏热”持续发力，而光伏逆变器作为光伏发电系统的“大脑”，碳化硅顺应时势应用到光伏逆变器中的优势显而易见。    

        审核编辑：彭菁