SiC技术如何提高太阳能逆变器系统的效率

有望改变太阳能发电管理的材料技术是碳化硅 (SiC)。太阳能制造商利用这种神奇的材料制造出高效、坚固的太阳能逆变器系统,将光伏 (PV) 电池产生的直流电转化为家用和商用交流电。主要有三种逆变器架构:微型光伏逆变器、光伏组串逆变器和光伏集中逆变器。本文将介绍这些架构以及碳化硅在其中的应用。


碳化硅技术:历史悠久,历久弥新

科学家于 1891 年首次合成了碳化硅。碳化硅天然存在,但在地球上十分罕见。最初,碳化硅被用作磨料,并被用于各种结构和电气应用。如今,它已成为一种尖端的半导体材料,其性能远远超过传统的硅材料。


碳化硅面临的挑战是,尽管在一个多世纪前就已合成,但要将其制成纯度足够高的半导体仍然非常困难。与生产晶体管级硅不同(硅可以从液态加工成待切割晶体),SiC 晶体的生长涉及升华/沉积过程,即气体直接转化为固体。


因此,SiC 晶体管的制造比 Si 器件的制造更加复杂(也更加昂贵)。然而,由于碳化硅具有更强的特性,因此这种成本的比较并不总是公平的。碳化硅具有宽带隙,这意味着使用碳化硅制造的晶体管可以在比硅器件更高的电压、温度和频率范围内工作。


此外,碳化硅还是一种优于硅的导热材料,在高温下的导电性能也要好得多。碳化硅最重要的用途之一是用于太阳能逆变器系统。


太阳能逆变器系统如何使用碳化硅

在太阳能逆变器中使用碳化硅可带来诸多好处,包括:

  • 效率更高

  • 降低整个系统的体积和重量

  • 更好的热管理

  • 可靠性更高


由于碳化硅器件的导热和耐热性能比硅器件更好,因此在整个逆变器实施过程中,用于冷却的设计和元件费用通常较少。逆变器也可以更小,这意味着材料成本更低。加上上述其他性能优势,再加上 SiC 制造成本可能会随着未来的发展而降低,SiC 的价值主张看起来非常有吸引力。


太阳能逆变器(或逆变器阵列)制造完成后,必须安装到光伏 (PV) 系统中才能使用。太阳能安装人员有三种安装系统的主要方法/结构。


常见的三种光伏逆变器拓扑结构

逆变器将直流电转换为交流电 — 是一种通用技术。有人可能会说,太阳能逆变器是用来将光伏阵列的直流电转换成交流电的。光伏逆变器拓扑结构主要有三种:微型逆变器、组串逆变器和集中逆变器。每种拓扑结构都适用于不同的情况和规模。


太阳能逆变器应用指南


1. 微型逆变器

这里用复数“微型逆变器”最为准确,因为小型(微型)逆变器阵列可将太阳能电池板的直流电转换为交流电,为家庭或其他小型设施供电。每个太阳能部分产生 40 至 80VDC 的直流电,典型输出为 110V 或 230VAC。


这些设置非常灵活,总功率范围为 200 W 至 1.5 kW,效率适中,约为 96%。由于通常需要将多个逆变器运送到太阳能电池板并与之集成,因此 SiC 技术所允许的尺寸缩小在这种情况下尤其具有吸引力。然而,微型逆变器也是最昂贵的太阳能逆变器系统类型。


2. 组串式逆变器

太阳能电池板连接在一起(成串),向单个逆变器发送整体直流电。这种拓扑结构适用于 1 kW 到 200 kW 的功率范围,为从单个家庭到楼宇和工业建筑群的所有设备供电。输入电压最高可达 1500 VDC,三相输出电压最高可达 800 VAC。这种拓扑结构非常灵活,效率高达 98.5%。碳化硅的较高电压处理能力在此非常理想。


SiC 制造商 Infineon 设计了一款 1500 V PV 组串式逆变器参考设计,该设计采用了有源中性点箝位 (ANPC) SiC MOSFET 技术,工作频率为 48 kHz。按每千瓦成本计算,该设计比使用纯 IGBT 技术、频率为 16 kHz 的同类系统的成本低五到十个百分点。虽然在这种设计中使用 SiC 技术的半导体开关和驱动器的价格要比仅使用 IGBT 的同类产品高出一些,但它们可以节省大量的磁性元件,足以弥补最大的差额。


从长远来看,降低损耗和提高逆变器应用性能的潜力使基于 SiC 的系统更具吸引力。再加上储能解决方案 (ESS) 设置中的多重转换,使用升级版碳化硅技术的理由就更加充分了。以上概述的是光伏组串逆变器的实施情况,其他拓扑结构也将从 SiC 功能中获得类似的好处。


3. 中央逆变器

多串太阳能电池板接入一个中央逆变器。这种拓扑结构适用于电网级运营商,可产生超过 1000 kW(即超过千兆瓦)的电力。输入电压最高可达 1500 VDC,三相输出电压最高可达 690 VAC。这种技术在三种拓扑结构中可扩展性最低,但效率最高(高达 99%)。在这种情况下,SiC 的增压能力很有吸引力。集中式逆变器可以大规模应用碳化硅的高效特性。以每千瓦计算,中央逆变器是成本最低的太阳能逆变器系统类型。


碳化硅在太阳能发电方面的优势

虽然某些 SiC 特性在特定情况下更为理想,但 SiC 的所有优点都适用于所列的每种拓扑结构。随着技术的发展,成本/效益比将更具吸引力。Infineon、Microchip、onsemi、STMicroelectronics 和 Wolfspeed 等公司将继续推动 SiC 技术的发展,我们可以期待 SiC 能够提高太阳能行业及其他行业的功率效率。


作者:Jeremy Cook @Arrow Electronics





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