太阳能发电系统对半导体器件的需求分析

太阳能逆变器是整个太阳能发电系统的关键组件。它把光伏|0">光伏单元可变的直流电压输出转换为清洁的50Hz或60Hz的正弦电压源，从而为商用电网或本地电网供电。因为太阳电池板的光电转换效率可能受到阳光照射的角度、云层、阴影或气候条件的影响，所以，太阳能发电系统必须把不断变化的直流电转换为经过很好调整的交流电源。对充电电池的最大输出功率应出现在光伏电池的电压和电流积的峰值处，如图1所示。

为了实现最大功率点输出的跟踪(MPPT)，微控制器要运行MPPT算法，以调节太阳能电池板的方向、输出的直流电压和电流，使之获得峰值功率输出，就需要采用微控制器以及传感器来跟踪太阳方位角以及高度角。

目前，在自适应太阳方位角、高度角以及辐射强度的跟踪系统中，组成部件包括辐射强度传感器、跟踪传感器、自动控制芯片、步进电机和细分驱动器、机械传动机构及集能平台等几部分。对于风能/太阳能一体化的发电系统，还要检测光伏阵列的输出电压/电流、跟踪光强、环境光强、蓄电池充电电流/电压、逆变器的输出交流电流、交流电压、环境温度、蓄电池温度、光伏阵列温度、太阳方位角、高度角和风速。因此，对微控制器的数据采集能力以及A/D转换以及处理提出了很高的要求。

在大规模部署的太阳能并网发电厂中，光伏电池板的数量很大，为此，TI公司提出了"微型逆变器"的概念，它既能够在较宽的范围内扫描各个独立的太阳能电池板的峰值功率点，避免把局部峰值作为MPP点，同时，又能够提高最大功率点输出跟踪的效率。TI提出的这种系统的架构如图2所示。从中可看到，对于DC/DC转换器、DC/AC转换器以及控制器、通信接口的需求也非常大。

微型逆变器的特点就是每一块光伏电池板有它自己独立的逆变器系统，这种拓扑的主要好处是太阳能发电站的光伏阵列能够持续的输出电力，既使当其中一个逆变器功能失常的时候。此外，因为每一块太阳能系统能够利用高分辨率的PWM算法来调节转换参数，让系统能够随时根据负载的变化而进行调节，并利用片上外设如SPI、UART等接口实现各个微型逆变器之间的数据交换，因此，就有可能为每一个光伏电池板以及整个发电站系统提供最优化的转换效率。目前，TI公司推出的Piccolo MCU就是为太阳能电池板提供更高的工作效率以及控制功能而设计的，微型逆变器能够最大限度地提高每个单电池板的功率输出。
给太阳能逆变器选择微控制器的原则包括：低的成本目标以满足大量部署的需求;小的形状因子;齐全的控制功能;与各个微型逆变器的控制器实现数据交换的能力;强大的并行运算能力;与模拟器件如电流和电压传感器接口，以实现系统峰值功率实时监测的能力;内置A/D转换器;太阳能接地漏电流检测能力;对太阳能电池板转向电机进行控制的能力。

用于太阳能逆变器的功率器件

在太阳能逆变器的设计中，常用的IGBT分别为平面型IGBT和沟道型IGBT。在平面型IGBT中，多晶硅栅极是呈"平面"分布或者相对于p+体区是水平分布的。在沟道型IGBT中，多晶硅栅极是以"沟道方式向下"进入p+体区。这种结构有一个优点，就是可以减小通道对电子流的阻力并消除电流拥挤现象，因为此时电子垂直地在通道中流过。在平面型IGBT中，电子以某种角度进入通道，引起电流拥挤，从而增加电子流的阻力。在沟道型IGBT中，电子流的增强使Vce(on)大幅度降低。

除了降低Vce(on)外，通过将IGBT改成更薄的结构可以降低开关能量。结构越薄则空穴-电子复合速度就越快，这降低了IGBT关断时的拖尾电流。为保持相同的耐击穿电压能力，在沟道型IGBT内构造了一个n场阻止层，以便在IGBT上的电压增大时，阻止电场到达集电极区域。这样实现的更低的传导能量和开关能量允许逆变器的尺寸更小，或者相同尺寸逆变器的功率密度更大。

在太阳能发电系统中太阳能电池板需要串联或并联工作，太阳能模块产生的直流电压在几百伏的数量级，如600V或1200V。上述最新的IGBT技术使得针对20kHz开关应用的最新一代600V沟道型IGBT得以实现。以IR公司采用全桥拓扑构建的500W直流/交流逆变器演示板为例，通过测量所降低功耗表明，采用新型经优化的沟道型IGBT器件，可使散热片温度降低16%。功耗的降低使IGBT的效率比前一代IGBT器件提高了近30%。

一般来说，在直流/交流逆变器系统设计中，选择IGBT器件的基本准则是提高转换效率、降低系统散热片的尺寸、提高相同电路板上的电流密度。目前，市场上多家公司提供用于太阳能逆变器的功率器件，其中，包括IR、英飞凌、ST、飞兆半导体、Vishay、Microsemi、东芝等公司。

典型的并网发电系统