作者：Jeremy Cook
“凭空”收集太阳能一度被认为是未来主义，就像几个世纪前人类飞行一样。如今，太阳能发电已成为一项普及技术，但在效率和应用方面仍有巨大的增长潜力。
一项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。
三种常见的太阳能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
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 110 或 230VAC。
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 110 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。
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。
中央逆变器
多串太阳能电池板馈入一个中央逆变器。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。
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