全球能源行業(yè)正處在一場持續(xù)而深刻的變革之中——即從化石燃料能源,向可再生能源的轉變。這個過程盡管曲折,但是對于大趨勢大家早已有了共識,加之近年來智能電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)等關鍵技術的發(fā)展,進一步掃清了可再生能源部署和應用的障礙,其未來的發(fā)展勢頭將更為迅猛。
根據(jù)國際能源署(IEA)新近發(fā)布的《2024年可再生能源》報告,2024年至2030年期間,全球將增加超過5,500GW的可再生能源裝機容量,幾乎是2017年至2023年增幅的三倍,屆時可再生能源將滿足全球近一半的電力需求。
從技術角度來看,在各個可再生能源類別中,太陽能的發(fā)展非常搶眼——可以看到,其增長曲線更為“陡峭”——預計從現(xiàn)在到2030年,太陽能光伏發(fā)電將占全球可再生能源發(fā)電量增長的80%。
之所以太陽能光伏發(fā)電如此受追捧,是因為其具有三個顯著的優(yōu)勢:
1、易獲?。?/strong>能量來自于持續(xù)不斷供能的太陽,相較于其他可再生能源,受環(huán)境因素影響更小,獲取也更為便利。
2、零排放:電能由太陽能光伏面板轉化而來,更為清潔,有利于“雙碳”目標的實現(xiàn)。
3、低成本:光伏發(fā)電系統(tǒng)建設和部署的綜合成本較低,適用于大、中、小、微各類裝機容量,而且建成后的發(fā)電和維護成本也較低。
正因為上述這些優(yōu)勢,太陽能光伏基礎設施的建設和部署熱度不減,除了傳統(tǒng)的大型太陽能發(fā)電廠,近年來面向家庭(如屋頂太陽能發(fā)電)和公用設施(如太陽能路燈)的分布式光伏設施也是遍地開花,由此也帶旺了整個太陽能光伏行業(yè)上下游的產(chǎn)業(yè)。
光伏逆變器市場趨勢
眾所周知,在整個光伏系統(tǒng)中,處于核心地位的就是太陽能光伏逆變器,其作用是將光伏太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓,轉換為市電頻率交流電,并入電網(wǎng)或者直接離網(wǎng)供電。
光伏逆變器通常分為集中式、組串式、微型幾種類型。其中集中式光伏逆變器支持高功率場景,通常應用在大型光伏電站中,市場定位比較“高冷”。而與之相較,微型和組串式逆變器多用于中、小容量的供電,定位更為“親民”,也是近年來光伏逆變器市場上的熱點。
其中,微型光伏逆變器主要用于住宅發(fā)電,同時也廣泛應用于路燈和交通燈等城市基礎設施的供電,未來的市場潛力巨大。而組串式逆變器具有靈活且易于安裝的特點,可根據(jù)應用的要求“組合”出不同功率等級的解決方案,很好地契合了光伏逆變器市場“單套設備功率等級/功率密度不斷提高,單價和體積卻越來越小”的需求,因此漸成光伏逆變器市場的主流,近年來組串式逆變器的新增裝機容量已經(jīng)超過了集中式逆變器。
由此,敏銳的廠商在未來一定會將微型和組串式逆變器作為市場發(fā)力點。
圖2:組串式(下)和集中式(上)逆變器比較(圖源:安森美)
光伏逆變器的開發(fā)挑戰(zhàn)
想要做好太陽能光伏逆變器的開發(fā),首先需要了解其功能和架構。以組串逆變器系統(tǒng)為例,其主要架構包括三個部分:
太陽能電池板陣列
完成光伏能量轉換,輸出直流電壓。
將光伏電池板的輸出電壓提升至直流鏈路工作電平;同時實現(xiàn)MPPT(極大功率點跟蹤)功能,在不同的環(huán)境和光照條件下實現(xiàn)更優(yōu)的光伏發(fā)電量。
DC/AC逆變器
將直流鏈路中的直流高壓,轉換為市電交流電壓,驅動本地負載或并入公共電網(wǎng)。
圖3:光伏逆變器功率轉換架構(圖源:安森美)
不過,如果你以為上述幾個部分就是光伏逆變器的全部,那就想得太簡單了。實際上,圖3僅展示了作為光伏逆變器系統(tǒng)核心的大功率轉換部分,一個完整的光伏逆變器想要實現(xiàn)精確、高效且安全、可靠的功率轉化,還要有傳感監(jiān)測、控制、柵極驅動、電源管理,以及通信接口等功能電路的支持(如圖4),是一個比較復雜的系統(tǒng),設計時需要考量的因素也很多。
圖4:光伏逆變器系統(tǒng)架構(圖源:安森美)
了解了太陽能光伏逆變器系統(tǒng)架構,在確定設計藍圖之前,還要進一步把握其發(fā)展的技術趨勢,這樣才會讓自己的設計不“落伍”且具有足夠的競爭力。
具體來講,當今光伏逆變器的技術趨勢有三點:
1、第三代寬禁帶半導體器件(如SiC)的引入。與傳統(tǒng)的硅基MOSFET / IGBT相比,SiC器件可以提供更大的功率密度、更高的效率、更小的尺寸、更出色的熱性能,在高電壓應用中可簡化拓撲結構,提升系統(tǒng)性能,是未來發(fā)展的大方向。因此,掌握SiC器件的應用開發(fā),是光伏逆變器開發(fā)者的必修課。
2、更高的直流母線電壓成為趨勢。隨著大功率需求的不斷增長,采用1500V替代傳統(tǒng)1100V母線電壓的光伏逆變器,可以有效減小電流、降低給定功率下的互連成本,支持更高功率的應用。當然,這也勢必引發(fā)相關元器件和組件的升級。
3、隨著應用場景的多元化,光伏逆變器的拓撲也走向多樣化。這就要求開發(fā)者有能力在需求、性能、成本等諸多因素之間進行權衡,根據(jù)實際要求選擇更合適的解決方案。
綜上所述,設想你是一個光伏逆變器的設計工程師,擺在你面前的有多重挑戰(zhàn):既要應對系統(tǒng)設計的復雜性,又要面對應用場景的多樣化,還要關注技術發(fā)展趨勢,此外也要根據(jù)實際目標應用,在可行性和經(jīng)濟性等方面進行權衡……這樣的工作并不輕松。
光伏逆變器一站式解決方案
如何讓不輕松的事情變輕松?這是一個痛點,也是一個彰顯實力的機會。這樣的機會,安森美 (onsemi) 把握住了!
為了減輕開發(fā)者的工作負荷,縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,安森美和Würth Elektronik聯(lián)手,面向微型和組串式太陽能逆變器研發(fā),推出了一站式的解決方案。
圖5:安森美和Würth Elektronik合作推出的光伏逆變器解決方案(圖源:安森美)
仔細觀察,我們會發(fā)現(xiàn):所謂“一站式”解決方案,并未虛名,而是有“真材實料”。
首先,從圖5可以看出,這個解決方案涵蓋了光伏逆變器系統(tǒng)的各個部分,非常全面這主要得益于安森美豐富的產(chǎn)品線,不僅可以提供功率集成模塊 (PIM)、SiC分立器件、IGBT等核心功率器件,還包括配套的柵極驅動器、傳感、控制、外設電源,以及通信與接口等產(chǎn)品,可謂是360°無死角覆蓋。
其次,在方案中整合無源元件是一大亮點,也是一個顯著的差異化優(yōu)勢。以往半導體公司提供的解決方案,通常僅專注于有源器件,而在實際設計過程中,配套無源元件的選型、系統(tǒng)匹配,會占用開發(fā)者大量的時間和精力,有時候還會成為“致命”的瓶頸。而知名大功率無源和機電元件制造商Würth Elektronik的參與,令這項工作大為簡化,而且其在電磁兼容性方面的專業(yè)知識,還可確保客戶在從家用到工業(yè)應用的各種功率等級的產(chǎn)品上,都獲得可靠的性能。
再有,這個太陽能光伏逆變器方案還具有極強的可擴展性,以滿足不同應用場景、不同功率等級、不同拓撲結構的設計要求。不論是采用分立器件還是PIM模塊化設計,不論是采用高性價比的硅基器件還是先進的SiC方案,不論是聚焦于大功率轉化功能還是尋求完整的系統(tǒng)級方案,你都可以從這一方案的中,找到對應解決之道。
表1:安森美和Würth Elektronik光伏逆變器解決方案BOM中的關鍵元器件(圖源:安森美)
光伏逆變器BOM中的亮點
值得一提的是,安森美和Würth Elektronik光伏逆變器解決方案不僅從整體來看具有顯著的差異化優(yōu)勢,而且如果深入探究方案的BOM(見表1),也會發(fā)現(xiàn)其中每一顆“料”都極具特點,可圈可點。
比如用于DC-DC轉換的預充電(Precharger)功能的NDSH50120C SiC二極管,得益于SiC材料出色的性能及安森美獨特的工藝,該SiC二極管無反向恢復電流、開關特性不受溫度影響,且具有出色的熱性能,在提供出色的開關性能同時,還具有比硅器件更佳的可靠性,對于提高系統(tǒng)效率、提升工作頻率、提高功率密度、降低EMI、減小系統(tǒng)尺寸并降低成本而言大有幫助。
而且,NDSH50120C與硅基解決方案有很好的“兼容性”,這意味著無需對電路設計進行大的改動,即可將SiC器件的性能優(yōu)勢引入到系統(tǒng)方案中,令系統(tǒng)性能得到很好的改善。
圖6:NDSH50120C SiC二極管(圖源:安森美)
在安森美和Würth Elektronik光伏逆變器解決方案中,另一顆值得關注的器件是NCD57100柵極驅動器。
大家知道,在功率電子系統(tǒng)中,柵極驅動器的角色十分關鍵,它是低壓控制器和高功電路之間的緩沖電路,其作用是將控制器的低壓信號轉化為更高電壓的驅動信號,并提供驅動電流,從而實現(xiàn)功率器件高效而可靠地導通和關斷。
NCD57100柵極驅動器是大電流單通道IGBT驅動器,具有內部電隔離功能,包括互補輸入、開漏故障和READY輸出。NCx5710y型號可在輸入側提供5V和3.3V信號,驅動器側具有寬偏置電壓范圍,包括負電壓能力。該柵極驅動器主要的特性包括:
在米勒平坦電壓下具有大電流輸出(±7A)
精確匹配,傳播延遲時間短
DESAT,帶軟關斷
有源米勒鉗位和負柵極電壓
高瞬態(tài)、高電磁抗擾度
5kV電隔離
從上述性能可以看出,對于提高光伏逆變器的系統(tǒng)效率和可靠性,NCD57100柵極驅動器是一個不可或缺的存在。
圖7:NCD57100柵極驅動器(圖源:安森美)
本文小結
太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為全球可再生能源的中堅力量;相應地,太陽能光伏逆變器也已發(fā)展成為能源行業(yè)中炙手可熱的熱門產(chǎn)品。打造出理想的太陽能光伏逆變器,也隨之成為一種剛需。
安森美不僅能夠提供豐富的半導體器件產(chǎn)品組合,還與Würth Elektronik合作推出了一站式的太陽能光伏逆變器解決方案,為這一領域的開發(fā)者賦能。如果你也想在可再生能源的賽道中,獲得更大的加速度,一起來了解一下吧——