在全球积极推动绿色能源与减碳目标的背景下，太阳能发电技术快速发展，成为可再生能源的重要支柱。其中，太阳能逆变器作为将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电的关键核心设备，其效能与稳定性直接影响整体发电系统的效率与可靠性。本文将探讨太阳能逆变器的最新发展趋势，以及由安森美所推出的创新解决方案，以因应未来能源转型与智能电网的挑战。
太阳能逆变器系统是环保与降低碳排放的有效途径
随着文明和人口密度的持续增长，二氧化碳排放量的增长速度开始变得难以控制。碳排放引起的全球变暖将导致气候恶化，并必然会损害我们的家园。因此，为了解决这个问题，我们需要使用清洁能源，例如风能和太阳能。
太阳能和风能等可再生能源是降低碳排放最有效的途径之一。与风能不同，太阳能逆变器广泛应用于各种用途。如今，结合储能系统，人们可以控制和储存这种免费能源。太阳能逆变器的核心是高功率转换级、DC-DC升压转换器和DC-AC逆变器。随着电源开关的发展以及终端产品带来的新需求，许多新的拓扑结构应运而生。
太阳能带来的主要优势在于，只要安装了太阳能逆变器系统，它就是一种“免费”能源。这个过程非常环保，因为它不会产生任何排放，并且依赖于丰富且可持续的资源 —— 太阳。利用太阳能有助于应对气候变化，减少对化石燃料的依赖，并提供可靠的能源。此外，它还能降低电费，从而为个人和企业带来长期成本节约。
太阳能逆变器种类繁多，根据类型（中央式、组串式、微型）和终端应用（住宅、商业、公用事业规模）的不同而有所差异。目前，组串式逆变器因其灵活性和易于安装的特点而成为最受欢迎的类型。随着功率器件的不断迭代，单台逆变器的功率水平／功率密度不断提高，而单价和体积却不断下降，这使其成为太阳能逆变器市场的主流。
中央式太阳能逆变器通常安装在具有超高容量的公用事业规模电站中。然而，由于安装位置的限制，近年来新增装机容量已被组串式太阳能逆变器所超越。微型太阳能逆变器除了用于住宅发电外，还广泛用于为路灯、交通灯等城市基础设施供电。
能源转换效率与高功率要求推动半导体应用发展
随着对于能源转换效率与高功率的要求，由于碳化硅有助于提高效率，在半导体器件的发展方面，出现了碳化硅替代的趋势。与传统的硅基MOSFET/IGBT相比，碳化硅器件更适用于更高电压的应用。更高电压的器件可以简化拓扑结构，无需多级转换器。碳化硅逆变器解决方案的损耗低于IGBT解决方案，碳化硅MOSFET的开关速度也更快，这可以缩小无源器件（尤其是电感器）的尺寸。这两个因素提高了功率密度，从而可以在相同尺寸和重量的设备中实现更高的功率。然而，在设计产品时仍然必须在成本和性能之间进行权衡，必须了解实际需求，才能确定最合适的解决方案。
另一方面，SiC二极管的替代正变得越来越普遍，尤其是在DC-DC级，因为其成本越来越低，无需对电路设计进行大的改动，而且最重要的是，系统性能得到了显着提升。此外，频率的提升还可以减小无源器件的尺寸。
在大功率产品（约200 kW以上）中，IGBT则是首选，因为IGBT在处理大电流时性能出色，而且系统不需要非常高的工作开关速率，这意味着IGBT的缓慢关断不会带来太多问题。另一方面，全SiC系统需要全新的系统设计，这会带来巨大的成本。例如，基于IGBT的转换器的驱动电路与基于SiC的系统不兼容。此外，由于SiC元器件的短路耐受时间（SCWT）比IGBT更短，因此也需要考虑新的保护方法。
随着高功率需求日益增长，使用1500 V替代1100 V组串可以降低给定功率的互连成本，因为其电流更低。为了满足这一趋势，开发了更高电压的开关。无论是采用高压开关还是多级拓扑，太阳能逆变器的运行功率都可以显着提高。
此外，三级太阳能逆变器因其优化的EMI性能、开关损耗和电感电流纹波，通常是大功率太阳能逆变器的首选。然而，它也给PCB设计和开关方案带来了挑战。随着碳化硅（SiC）的发展，功率模块和最大工作电压≥2000 V的功率分立器件已经开发并投入使用。虽然距离量产仍有差距（对其他元器件／配件的要求更高），但两级1500 V系统将显着降低设计和控制的复杂性，并缩小最终产品的尺寸。
另外一个发展机会便是混合太阳能逆变器，通常用于家用情境，它有一个额外的DC-DC转换器连接到太阳能逆变器的总线上。外接的DC-DC转换器将连接到电池组，提供备用能源或进行能量套利。这种新系统集成在一个与传统家用太阳能逆变器外观相似的机箱中。
太阳能逆变器系统的系统实施技巧
在系统实施方面，组串式逆变器系统的主要元器件包括太阳能电池板阵列、直流链路电容器和逆变器（DC/AC转换器），光伏组串和直流链路之间通常使用DC-DC升压级。这些系统主要实现两个功能，包括将光伏组串的输出电压提升至直流链路的工作电压，以及实现MPPT（最大功率点跟踪）功能，使光伏组串在不同环境和日照条件下的发电量最大化。当光伏组串达到直流链路的工作电压时，DC/DC转换器将被旁路（通过低 VF 二极管），以最大限度地提高效率。
在功率和电压等级方面，逆变器级有单相和三相两种配置。单相系统的额定功率从低于1 kW到高达10 kW（取决于地区），直流母线电压通常在300 V至600 V之间。三相系统涵盖的功率范围很广，从轻型商用系统的15 kW到公用事业规模应用的300 kW以上。直流母线电压通常在1100 V（住宅、商业和公用事业）或1500 V（商业和公用事业）下运行。
在拓扑结构设计方面，在广泛的功率等级和电压范围内，功率半导体解决方案各不相同。对于更高功率，通常首选采用IGBT、SiC MOSFET和/或SiC/混合功率模块（PIM）。为了处理高母线电压系统，必须考虑多电平拓扑。两电平系统在系统复杂性和控制复杂性方面也具有优势，但它对功率开关的要求更高。
至于应该选择分立器件还是功率模块，影响客户决策的因素有很多，但对于大功率产品，强烈建议采用模块解决方案，尤其是在处理多个分立MOSFET/IGBT并联时。模块方案则可以简化许多问题，例如由不平衡电流和热量、开关时序、线路连接等引起的长期性能问题。
经过优化的高质量太阳能逆变器解决方案
安森美提供了多款太阳能逆变器解决方案，提供广泛的产品系列，包括分立SiC和IGBT、功率模块、隔离栅极驱动器和电源管理控制器，以提供更高的功率密度和效率增强系统。
以下将重点介绍几款安森美的解决方案。首先，安森美推出的全新EliteSiC 1200 V M3S平面SiC MOSFET系列，其针对快速开关应用与高温工作进行了优化，平面技术在负栅极电压驱动下工作可靠，并能关断栅极上的尖峰。该系列在18V栅极驱动下性能最佳，在15V栅极驱动下也能良好工作。改进的寄生电容，适用于高频工作，RDS(ON) = 22 mΩ @ VGS = 18 V，具有超低栅极电荷（QG(TOT)=137 nC ），低电容（COSS = 146 pF）高速开关，带开尔文源极的4引脚TO-247-4L封装，通过100%雪崩测试，无卤素，符合RoHS标准。
全新的1200 V Trench Field Stop VII IGBT系列，则具有沟槽窄台面和质子注入多重缓冲器，提供快速开关类型和低 VCE(SAT) 类型，改进的寄生电容，适用于高频工作，采用通用封装，目标应用为能源基础设施、工厂自动化。
安森美拥有丰富的全SiC功率集成模块（PIM）产品组合，包括半桥、全桥和其他更大的拓扑结构配置，具备低热阻，内置NTC热敏电阻，在更高电压下 RDS(ON) 更低，具有更高效率和功率密度，是灵活的高可靠性热界面解决方案。
结语
随着全球能源转型脚步加快，太阳能逆变器的技术与应用也持续朝向高效率、智能化与模块化方向发展。面对多样化应用场景与严苛运行环境，厂商需不断优化设计架构、提升散热与保护机制，并导入先进的功率半导体与控制算法。安森美的太阳能逆变器解决方案，将能够协助您开发更环保、低碳的能源转换系统，将可在未来的绿色能源生态中发挥关键作用，推动可持续发展的实现。