太阳能产业前景一片光明

光电能源产业的前景似乎非常光明，市场增长迅速，大量创新技术不断涌现。其市场驱动力量在不同国家的差异很大，但也有一个共同点，即必需提供最高效率，这就使太阳能电池和光电转换器成为高科技的一个最佳实例。本文探讨了不同太阳能电池板技术和系统功率范围的意义，并把转换器分为前端升压转换器和后端频率转换器，解释了各种要求间的巨大差异及其解决方案。

太阳能是快速增长的市场，过去两年间的CAGR (年均复合增长率) 约达35%。随着太阳能电池板效率大幅提高，以及越来越多国家实施太阳能发电补助电价政策，再加上一个不容忽略的事实，即这种“清洁”能源在使用时无噪声无污染，太阳能的高速发展实在不足为奇。相比其他可再生能源，太阳能拥有一些重要优势。太阳能几乎无处不在，其装置从普通家庭所用的小型系统到大型发电厂规模不一；它无需供给维持工作，没有可动的部件会对系统可靠性造成大影响。现在使用的其他能源，比如石油、煤或核能在可取得性和永续性方面都存在着问题，此外对环境也有不良影响。

因此，未来数年中，太阳能市场预计仍保持强劲的增长势头。太阳能发电显然代表着一个全面上涨的市场。图1显示了过去几年中不同类型太阳能电池板的产能。

所有大型太阳能电池板制造商都在积极建设大型发电厂，共同推动这一市场强劲发展。除了有这么多外在驱动因素之外，市场在技术上不断取得巨大的进步，电池效率也不断提高。事实上，这一市场的发展势头如此强劲，以致其基本材料之一的原料硅出现短缺，这种材料也是半导体产业需要的基本材料。硅是地球上最常见的元素之一，但硅的清洁制程非常耗时，成本又高。如图2所示，因此硅 (或其他材料) 使用量最少的薄膜电池发展最为迅速，尽管它们的效率比单晶硅电池低。

欧洲目前最大的太阳能市场是德国。不过，2007年德国的太阳能发电量只占全部可再生能源约4%，仅相当于该国总耗电量的0.6%。德国政府也像其他欧洲国家政府一样，已制定明确目标，旨在提高可再生能源的比例，而风、生物和水能的发展空间和潜力有限。考虑到这一点，太阳能的庞大增长潜力就更加显著。比较德国市场和西班牙市场 (欧洲第二大市场)，可看出二者存在重大差异：

西班牙的太阳辐射密度特别的高

西班牙主要是直接辐射，而德国为间接辐射

西班牙的人口密度较低

两个国家安装的系统类型也因此大相径庭。在德国，许多家庭在自己住宅的屋顶上安装较小型的太阳能系统 (功率范围在5kW～20kW之间)；而在西班牙，主要装置为动辄百万瓦特的大型发电厂，同时还整合了大型转换器，且具备追踪系统可跟着太阳的移动并优化产能。这些发电厂需要大面积的土地，西班牙相对地广人稀，正符合要求。此外，两地采用的电池类型也有所不同，大型太阳能聚光电池发电厂在西班牙更受关注，因为这些电池很容易处理更高的日光照明密度。(见表1)

上述效率值是业界大规模生产平均估算值，故只是一个相对指标。现在，大约85% 的电池板都是采用 c-Si 构建。如前所述，作为基本材料的原始硅已变得十分紧缺，但最近取得的一项突破性成果有可能改变这一现状。已有多家公司开发出了 umg-Si (“改良金属硅”的缩写) 制作制程，这种材料纯度低于用于半导体的硅，但对太阳能电池已足够，且成本更低、更易于生产。这个事实意味着太阳能电池板的成本有可能降低，从而把沉重的成本压力转移到太阳能系统的其他组件亦即转换器上，寻求一条类似的成本降低路径。

PV 系统的输出存在不少问题。其中大部分与太阳光到达电池的路径有关，比如投射阴影、散射阴影，或者是模块上的灰尘或其他粒子。图3显示了小型发电厂的输出功率是如何产生大损耗的。

为什么这是一个挑战呢？例如，50V 的典型电池板输出电压可能由许多串联的电池来实现，所有电池都是一个电流源。若其中一个电池被阴影遮住，它的电源阻抗就会大幅增加，且只有极少电流流经整个链路，也就是说，一个电池实际上导致了整个电池链的关断。在电池板级，虽然可以采用旁通二极管来防止该问题恶化，但电池板本身就会大幅降低功率输出。

第二类挑战与电池板上的电池损坏或失配有关。而且，电池与转换器的匹配对于确保系统在大多数时间内以最大效率工作至关重要。

第三，电池的腐蚀也是一大问题，因为系统的寿命一般超过20年，而一旦水或灰尘进入电池板，聚光器或转换器就很容易发生故障。

图4所示为 PV 系统的模块示意图，左边的电池板提供一个直流输入，并连接到右边的网络中。目前大多数系统都联网，把产生的能量输送到骨干中。有些远程系统虽没有联网，但通常提供与网上相同的输出。

转换器将根据是否需要隔离来选择不同的拓扑。上面的模块示意图显示了无变压器的拓扑结构，有助于优化效率。当需要隔离时，就必需引入变压器。(见图5)

为了让变压器尽可能地小，采用了另一个全桥来高频驱动之，但这样会使总体效率稍有降低。

逆变器是电池板和网络间的主要组件。它为电池提供能够承受的负载，消耗的功率最大，并把这种能量转换为 AC 输出电流。为此，采用了 MPP (最大功率点) 跟踪器。各个电池可视为具有非线性电源阻抗的电压源，通过改变升压转换器的输入阻抗，负载变化，而 MPP 跟踪器随负载而变化，直到电压和电流的乘积达到最大。到第二级，这个 DC 电流被转换为所需的 AC 输出电流。这时，转换器将监控网络的电压和频率，以及它自己的输出电流，以正确控制转换器级。转换器实际上相当于一个 AC 电流源，驱动网络阻抗。这种中间电压必须高于所需的峰值输出电压，并有一定的余裕，比如，220VRMS 时，峰值电压为 308V，则中间电压通常选择为 350V…390V。这意味着第二个转换器可以作为单纯的步降电路，从而简化拓扑。几个升压转换器并联在一起也很常见，可以同时连接多个电池板串。它们都“馈入”到同一个转换器中。

图7所示为一个转换器，带有功率转换专用主 PCB。图中心处是功率 IGBT，被弹夹压向散热器。在右边，电解电容作为升压转换器和转换器之间的中间电容，用以储存渡过各个 50Hz 周期所需的能量。这里，为了把等效串联阻抗降至最小，选择并联多个电容来代替一个大电容。中间的扁平线缆连接到安装在机壳前面的微控制器，显示器位于机壳前面。这是一个无变压器转换器，顶部的两个大电感是输出电感。

在典型的输出功率 5kW～10kWp的较小规模装置中，可采用单独的电表来记录系统产生的千瓦小时能量。在较大规模的发电厂中，这个任务则由转换器来完成，因为它总是会测量电压和电流。此时，由远程主设备与逆变器通信，并跟踪系统每个部分的产能。通过网络接口就可以轻松实现远程检测。

在图7所示的这个较大型系统中，若干个转换器被整合在多个机架中，总的输出功率为500kW。机架中的转换器很容易替换，只需像图中所示那样把转换器拉出来即可。中间的这个单元是监控单元，用来控制所有转换器并监控太阳能发电厂各个部分的性能。还有系统能够在一个 (较大的) 机架单元中处理高达 200kW 的功率，功率密度更高。

如图7所示，转换器的前端有一个独特的任务。对后端而言，为了进行直流-交流高频转换，最好“馈入”比所需最大输出电压高一定余裕量的直流电压，这样后端只需执行步降功能即可。但一个电池板的输出电压一般只有50V～80V，故必须把好几个电池板串联起来，才能获得高的输入电压。此外，这个电压还依赖于太阳能辐射密度，这就造成了非常变化多端的复杂情况。挑战在于：

输入电压的变化范围很大。如果串联的电池板数目过大，致使所有情况下输入电压都高于输出电压，则最大输入电压也会相当高，这时就需要击穿电压非常高的电源开关 (价格昂贵，效率低下)，而且操作和布线也会更加困难 (使系统更不稳定)。折衷办法是选择较少的电池板串联，使电压不至于太高，不过，为了以较低的辐射水平提供输出功率，还需要一个升压转换器。如此一来，虽然系统更为复杂，但系统的总效率和产能可变得更高。

在较大型的系统中，有若干串 (string) 串联电池板与转换器相连接。如果其中一个电池板被阴影遮住，或电池单元产能开始降低，则这一串电池板的输出电压都会变低。为解决此问题，需要每串采用一个升压转换器来补偿个别电池板的变异，并使每串电池板都工作在最大功率点 (MPP)。

由于各个电池板都有不同的 MPP，在连接之前必须对它们进行分类，以确保其 MPP 匹配，否则即使采用世界上最好的转换器也无法获得最大产能。

MPP 跟踪功能需要电压和电流的乘积来计算输出功率。因而，负载阻抗轻微改变，系统往电池板吸收更高的功率方向移动。这种算法被重复执行。由于辐射通常变化缓慢，故不需要高速环路。

图9给出了输入端 MPP 跟踪器匹配的一个例子，显示了前端转换器能够如何紧密地匹配其输入阻抗和电池板的输出阻抗。水平尺度是额定功率；垂直尺度是输入电压。红色阴影部分为效率较高的区域。输入阻抗由 MPP 跟踪器的回馈环路控制，故任何偏差都会表现为效率的降低，意味着存在该控制环路无法控制的东西这是转换器、拓扑和所选组件固有的局限性。问题另一个根源可能在于测定输入电流和电压时的测量误差，以及交流-直流转换器和控制器的分辨率的限制。

图9显示了同一个转换器的总体转换率，忽略输入端的失配，只单纯考虑 AC 输出功率与 DC 输入功率的关系。水平尺度为额定功率，垂直尺度为输入电压。这个例子表明，一个工作良好、尤其在高输入电压下更是如此的逆变器，在电压降低时，转换率也随之下降。左边可见转换器的固有能耗降低转换率。输入过流保护功能见右下角。

正如该图所示，前端转换器需要“越硬”地工作，转换率就越低。在高输入电压条件下，几乎无需提供额外的升压，相应的功耗也较低。然而，在输入电压较低时，输入端的高 AC 电流纹波意味着更大的损耗。升压转换器的改进首先是提高总体效率，其次是把最大效率区往低输入电压方向移动，为电池板提供更好的匹配。由于电池板具有非零电源阻抗，负载下输出电压要比空载下输出电压低得多，特别是对薄膜电池板而言。于是，转换器应该降低电压级才能获得最大转换率，因为在输入电压极高时，转换率会因这种失配而损耗。

有趣的是，最佳追踪是在输入电压为 390V 时获得，这个电压正好关断升压转换器，而且在两级和单级工作模式之间的切换点可以看到明显的区别。跟踪和功率转换的效率低下原因在于选择的转换器并非最佳，不能把所需的输入阻抗值足够好地转换为某个输出阻抗。在左上角，可看到追踪和效率较差，表明主转换器无法极好地处理高电压下的低输入电流。这可能是输出电容过大的电源开关引起的，因为损耗与 C*U? 成比例。随着转换器中的电流增大 (图中向右移动)，开关损耗的比例逐渐小于导通损耗，因此效率实际提高，但功耗却增加。

左边垂直的黄色面积表明，转换率在低功率时更低，这可能是因为这个转换器的升压转换器的开关损耗比必需的更高。在右下角，在低输入电压兼高功率下，输入电流变得非常大，输入DC过流保护功能不得不关断转换器。在右边，当功率级超过 115% 时，转换器也将关断。

为了提高性能，并让图中“红色”部分变得更大，可以进行多种不同的测量。除了必然的被动组件优化以外，还需要谨慎选择升压二极管以减小开关损耗 (在低输入功率下提高性能，图左)，获得低的正向电压降 (在高输入电流下提高转换率，图中下面部分)。飞兆半导体的 StealthTM II 二极管或碳化硅二极管就能够提供这种优化。升压转换器的电源开关，通常是 MOSFET，也需要精心选择。在低输入电压条件下，开关上的电流因高占空比造成导通损耗，所以低导通阻抗 RDSON 十分重要事实上，TO-247 封装中有好几个大型 MOSFET 并联比较常见。

仔细选择升压转换器的工作模式可以进一步提高性能。选择连续模式转换，把 AC 损耗降至最小，同时更低的纹波电流可以降低系统中的无用开销。不过，这是一个硬开关系统，故应该选择输出电容很低的功率 MOSFET。但这与开关中采用较大器件以降低导通损耗的要求有些抵触。这时，飞兆半导体的 SuperFET器件可以给出良好的折衷方案，同时提供“快速”体二极管，并无损 RDSON。这种器件很有用，在图的右下角，在低输入电压和高功率条件下，转换器的占空比相当长，开关中电流很大。

电源开关的正确栅极驱动在许多方面都至关重要。图11给出了典型的电路结构：

Rgate 的值对系统的性能十分关键。这个电阻值越小，MOSFET 的开关速度就越快(倘若栅极驱动器具有足够低的输出阻抗)。开关速度越快，dI/dt 和 dv/dt 相应越高，电磁辐射 (EMI) 也越大，这可能导致组件击穿，可靠性降低。若栅极电阻值变大，开关速度减小，但这时器件电流和电压之间的交迭增加，于是开关损耗增大。换言之，开关的行为越来越不像开关，而是花费越来越多的时间在线性区域，从而产生功耗。总言之，需要对栅极阻抗值进行精细调节，以便把功耗和EMI降至最低。

为了再进一步提高性能，采用谐振或准谐振拓扑是一种选择，尽管对宽输入电压范围来说，它们存在诸多问题，并仍工作在 ZVS (“零电压开关”) 或 ZCS (“零电流开关”) 状态。另一种可提高性能的拓扑是隔行扫描升压转换器。在这种拓扑中，多个转换器并行工作，彼此反相，输出端的纹波电流减小。此外，若输入电压足够高，升压转换器可完全关断并利用继电器桥接，从而进一步降低损耗。

转换器或转换器的直流-交流部分可采用多种不同的拓扑构建，其中相当一部分是某些转换器厂商的专有技术。“经典”拓扑之一是使用全桥，驱动输出电感降低 EMI。此时，某些器件可能在线频率下转换，而另一些通过转换频率转换。明智的选择是，利用第一类器件来实现最低导通阻抗，如飞兆半导体的 Non Punch Through (NPT) Fieldstop (FS) IGBT，而通过第二类器件来实现最低开关损耗，如飞兆半导体新推的 NPT Field Stop Trench器件。这里，不同 IGBT 乃至 IGBT 和 MOSFET 的组合有助于提高总体转换率。为了正确驱动电源开关，可采用光隔离栅极驱动器，如飞兆半导体的 FOD3180，以增强系统可靠性，因为若网格出现故障，高 dv/dt 很可能会突然出现。

在太阳能转换器这样的应用中，关键性能参数是转换效率，故采用 IGBT、MOSFET 和二极管来提高开关器件的性能非常重要。这时，尽管主要关注的是如何正确驱动开关、避免寄生振动和过压 (高效率和高稳健性的两大障碍)，以获得尽可能高的增益，但电压降和开关能耗仍有所改进。子系统集成在智能功率模块中的确帮助良多！由于驱动器和功率开关极为接近并且理想匹配，故可以重复实现最好的开关行为。飞兆半导体正在推动电源开关和模块集成技术的发展，以支持这些绿色高科技应用在性能方面的进一步提高。