寬禁帶技術(shù)促成未來的太陽能發(fā)電方案
發(fā)布時(shí)間:2021-07-12 來源:Brandon Becker 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】我們持續(xù)面臨全球氣候形勢的惡劣現(xiàn)狀-我們的新聞推送充斥著火災(zāi)、洪水和極端天氣,所有這些都?xì)w因于氣候變化。形勢顯然令人擔(dān)憂,個(gè)人、政府和游說團(tuán)體都在倡導(dǎo)大幅減少化石燃料使用——或者完全禁止使用。但如果沒有適當(dāng)技術(shù)能夠高效地提供能源且價(jià)格與現(xiàn)有技術(shù)價(jià)格相當(dāng),許多政府支持的推行太陽能發(fā)電的舉措就不可能完全成功。
太陽能發(fā)電本質(zhì)上是直流(DC)技術(shù),需要逆變器(DC-AC)來發(fā)電。一旦有了交流電(AC),所有的主要設(shè)備都可使用這電能,即使是小型設(shè)備如家居設(shè)備也可連接到電網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)電力共享。
圖1:典型太陽能發(fā)電逆變器系統(tǒng)框圖
在太陽能發(fā)電的早期,逆變器往往是集中的,能力超過100 kW。但最近這趨勢已改變,因?yàn)檫\(yùn)營商更傾向使用低于100 kW的逆變器串。在所有情況下,該架構(gòu)都類似于一個(gè)DC -DC升壓轉(zhuǎn)換器,用于增加光伏電池板的電壓,以及一個(gè)DC - AC逆變器,以本地電網(wǎng)的恰當(dāng)頻率(50 Hz / 60 Hz)產(chǎn)生交流電壓。該系統(tǒng)配有保護(hù)電路和精密的監(jiān)視/控制,確保在任何時(shí)候都達(dá)到最佳能效。
即使太陽能是無盡的,但能效仍是太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素。任何低效的系統(tǒng)都會產(chǎn)生不想要的熱量,必須將其從系統(tǒng)中移除。這必然涉及熱管理措施,包括散熱器和/或風(fēng)扇,這每一個(gè)都會增加系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性、重量和成本。
雖然選擇的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會影響能效,但主要的半導(dǎo)體開關(guān)器件(MOSFET、IGBT和二極管)對于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代太陽能發(fā)電應(yīng)用所需的能效絕對至關(guān)重要。自發(fā)明了半導(dǎo)體器件以來,硅(Si)一直是主要使用的材料,通過多年的不斷創(chuàng)新,該技術(shù)已達(dá)到了幾乎不可能進(jìn)一步提升的地步。
因此,主要的半導(dǎo)體制造商如安森美半導(dǎo)體,一直在探索其他材料來構(gòu)建未來的開關(guān)器件。所謂寬帶隙(WBG)材料,包括氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC),已成為關(guān)注的焦點(diǎn),因?yàn)樗鼈兊男阅芊浅_m合開發(fā)高效的半導(dǎo)體器件。
WBG材料的固有電阻比基于Si的器件低,從而減少了連續(xù)導(dǎo)電時(shí)的靜電損耗。另外,隨著開關(guān)頻率的提高,磁性元器件的尺寸減小,WBG技術(shù)進(jìn)一步提高了能效,因?yàn)殚T極電荷比硅減少,動態(tài)損耗也降低。
圖2:寬禁帶優(yōu)勢
如果有因素減緩了WBG的采用,那么從過去而言這因素就是成本。但是,粗略的分析將使工程師得出錯(cuò)誤的結(jié)論,因?yàn)榘雽?dǎo)體器件通常僅占電力系統(tǒng)成本的10%,而電感器和電容器約占90%。由于SiC器件增強(qiáng)的性能,可使電容器和電感器的值降低約75%,從而極大地降低了成本和尺寸。
圖3:當(dāng)以80kHz工作時(shí),典型的SiC二極管的損耗比硅二極管小73%
如果考慮到無源元器件的節(jié)省,盡管SiC器件的成本較高,但基于WBG的電源方案的總成本現(xiàn)在相當(dāng)于或略低于Si基方案。
安森美半導(dǎo)體提供大量SiC MOSFET產(chǎn)品組合,包括900V如NTHL020N090SC1和1200V如NTHL040N120SC1,導(dǎo)通電阻(RDS(ON))僅40 mOhm,低門極電荷(QG)和電容值可降低電磁干擾(EMI)并允許使用更快的開關(guān)頻率,提供了上述優(yōu)勢。SiC肖特基二極管如650V和1200V。 30A FFSH30120A就是個(gè)例子,它沒有反向恢復(fù),具有電流不受溫度影響的開關(guān)特性,因此非常適用于先進(jìn)的太陽能發(fā)電應(yīng)用。
隨著行業(yè)已達(dá)到這一關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn),WBG器件將真正成為太陽能發(fā)電的光明未來的促成者,有助于實(shí)現(xiàn)能效更高的地球,應(yīng)對氣候變化的影響。
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