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「电子工程世界」宽禁带使太阳能前景一片大好


显然 ， 可再生能源将是我们未来的重要组成部分 ， 它既满足我们对电能的日益增长的需求 ， 为电动汽车（EV）等新技术供电 ， 也保护环境 ， 减少我们对污染化石燃料和核能的依赖 。
在使用的各种形式的可再生能源中 ， 太阳能和风能已成为最常使用的能源 ， 并负责产生大多数清洁可再生能源 。 在这两种技术中 ， 太阳能正在成为主导技术 ， 其发电量几乎是风力发电的两倍 。 实际上 ， 2017年部署的太阳能发电量大于同期基于化石燃料的发电总量 ， 这是全球转向清洁可再生能源的重要里程碑 。
太阳能发电的发展有巨大的市场机会 ， 因为它目前仅占全球总发电量的12％（相当于500 GW） 。 亚太地区的产能领先 ， 占全球一半以上 ， 其中以占全球太阳能部署量三分之一的中国为主 。 欧洲目前占全球产能的四分之一以上 ， 而美国约占全球产能的六分之一 。
太阳能的快速增长（有人估计其复合年增长率（CAGR）约为30％）是由三个主要因素驱动：对更大功率持续强烈的需求、技术进步以及政府法规和倡议 。 光伏面板正在不断改进 ， 以更高效地将阳光转化为电能 ， 和从较小的表面积产生更多的电能 ， 从而使住宅设施更有效 。
各国政府正在制定政策刺激太阳能增长 ， 如中国声明到2020年清洁能源必须满足其20％的能源需求 。 欧盟进一步实施其“20-20-20”目标：到2020年 ， 能效将提高20％ ， 二氧化碳排放量降低20％ ， 可再生能源将产生20％的能量 。
太阳能发电技术
光伏面板产生直流电压 ， 当与DC-DC充电器一起使用时 ， 可用于“离网”电源 ， 对存储能量的电池组进行充电 ， 以备后用 。 但是 ， 大多数设备都需要市电电压下的交流电源 ， 因此 ， 在许多系统中 ， 从光伏面板电压生成交流电压的逆变器至关重要 。 这种方法被称为“并网” ， 因为交流电可以连接回主电网 ， 从而为房主提供机会向发电公司出售电力以抵消账单 。

「电子工程世界」宽禁带使太阳能前景一片大好
本文插图

图1：典型的太阳能发电逆变系统框图
逆变器尺寸方面 ， 趋势是从超过100 kW的高功率中央逆变器转向每台能够提供高达100 kW功率的多串逆变器 。 这些系统的核心是DC - DC升压转换器和DC - AC逆变器 ， 从光伏面板获得的DC电压生成AC电源电压（和频率） 。 除此以外 ， 还有一系列精密的监测、控制和保护电路 ， 以确保系统安全高效地运行 。
能效是任何太阳能光伏系统的关键目标之一 ， 以至能量不会浪费 ， 并且尽可能少地产生不需要的热量 。 系统的能效越高 ， 在散热器、风扇和其他硬件方面所需的冷却就越少 ， 从而减小了系统的大小、重量和成本 。
宽禁带技术对未来的太阳能发电系统至关重要
可以说 ， 电源转换器最重要的元件开关器件如MOSFET、IGBT和二极管 ， 通常由硅制成 。 由于这些器件对太阳能发电系统的能效至关重要 ， 因此 ， 领先的半导体公司如安森美半导体已大量投资 ， 以不断提高性能 。 然而 ， 该行业已到了采用硅器件几乎不可能进一步改进的程度 。 因此 ， 基于宽禁带（WBG）材料的开关器件 ， 包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC） ， 被视为是提供未来太阳能发电系统所需性能的关键 。
SiC开关器件有时被称为“解决所有电源工程师问题的方案” ， 在一些关键领域提供增强的性能 。 在静态应用中 ， 它们在完全接通时固有的更低电阻可降低损耗 ， 因此在运行期间产生的热量更少 。
在现代开关电源应用中 ， 工程师的目标是提高开关频率 ， 从而能够减小电感器和变压器等磁性器件的尺寸 。 这种方法减少了许多逆变器设计中接通时出现的浪涌电流 。 采用基于硅的MOSFET ， 每个开关周期所需的门极电荷（Qg）量相对较大 ， 因此 ， 随着频率的增加 ， 动态损耗也随之增加 。


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