隨著人們對(duì)低碳節(jié)能的關(guān)注不斷提升，新能源逐步成為了產(chǎn)業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能作為一種新能源，為電池制造、電源轉(zhuǎn)換等相關(guān)企業(yè)提供了發(fā)揮的新舞臺(tái)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流為直流電，但民用電力以交流供電為主，而且太陽(yáng)能發(fā)電最終將走向并網(wǎng)運(yùn)行，這就意味著太陽(yáng)能發(fā)電必須通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)家用電器等負(fù)載。因此，逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。 

    逆變器的主要功能是將電源的可變直流電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)干擾的交流正弦波輸出，既可供設(shè)備使用，也可反饋給電網(wǎng)。除了實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換之外，逆變器還能執(zhí)行其它功能，如將電路斷開(kāi)，避免電路因電流突波而損壞，此外還能為電池充電、對(duì)數(shù)據(jù)的使用和性能進(jìn)行存儲(chǔ)，以及跟蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)等，以盡可能提高發(fā)電的效率。 

    盡管近年來(lái)太陽(yáng)能電池制造企業(yè)一直致力于提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但是就2010年2月太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，15cm×15cm厚200μm的太陽(yáng)能電池也只能實(shí)現(xiàn)19.3%的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽(yáng)能面板的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低(平均約在15%左右)，所以，從太陽(yáng)能面板盡可能多獲得輸出功率的重任就落在了逆變器身上。 

    太陽(yáng)能逆變器性能提高更依賴(lài)于功率開(kāi)關(guān)器件,想獲得高效的交流輸出電壓和電流，就需要正確選擇功率器件。中國(guó)目前主要發(fā)展的是中大功率太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，金太陽(yáng)示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法規(guī)定，單個(gè)項(xiàng)目裝機(jī)容量不低于300kWp。隨著單機(jī)功率增大，太陽(yáng)能逆變器受技術(shù)和器件限制，電路形式就比較單一，主要還是三相逆變橋，提高能源效率的重任就落在了功率器件上，其器件本身的性能和設(shè)計(jì)使用是關(guān)鍵。 

    在中小功率的太陽(yáng)能逆變器中不少公司擁有自己的專(zhuān)利電路結(jié)構(gòu)，新一代功率器件使得這些電路如虎添翼，效率、可靠性等各方面性能都有了很大提高。英飛凌為太陽(yáng)能應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一系列產(chǎn)品，如大功率三電平模塊Easy和Econo4系列，產(chǎn)品范圍50A～300A650V；高速I(mǎi)GBT和碳化硅二極管PrimePACK模塊，規(guī)格為600A1200V。這些功率器件有助于推動(dòng)100KW以上的太陽(yáng)能逆變器效率達(dá)到一個(gè)更高的水平。此外，英飛凌的構(gòu)槽柵場(chǎng)終止技術(shù)FieldStopIGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽(yáng)能逆變器也有出色的表現(xiàn)。

    IR也是太陽(yáng)能技術(shù)的先驅(qū)。AlbertoGuerra介紹，早在60年代初期，IR生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池片便用于首個(gè)衛(wèi)星之上，甚至用來(lái)驅(qū)動(dòng)首輛太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)。時(shí)至今日，IR為太陽(yáng)能業(yè)界提供多元化的功率管理產(chǎn)品，特別是家用、商用及公用業(yè)務(wù)級(jí)別應(yīng)用的串式逆變器。IRMOSFET及IGBT技術(shù)發(fā)揮了先進(jìn)的效能，可用于不同的太陽(yáng)能逆變器拓樸，如單相和三相的設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)減低功率耗散。IR的IGBT產(chǎn)品能夠全面照顧以上各種樸拓的性能要求，功率范圍覆蓋5KW至30KW及以上，電壓范圍在600V至1200V。

        對(duì)于熟悉功率管理的工程師而言，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器有什么要點(diǎn)需要額外注意？首先，就現(xiàn)有光伏系統(tǒng)逆變器的使用情況來(lái)看，它們一般只能使用5到10年，而光伏電池板的使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，逆變器成為光伏系統(tǒng)中可靠性最低的組件。IR的AlbertoGuerra提出，設(shè)計(jì)師必須考慮光伏系統(tǒng)逆變器的使用壽命。太陽(yáng)能逆變技術(shù)業(yè)界對(duì)于產(chǎn)品壽命有很高的期望，一般都能保證20至25年的使用期，因此特別著重每種元件的可靠性。盡管半導(dǎo)體元件通常都達(dá)到這種可靠性水平，但對(duì)于無(wú)源元件來(lái)說(shuō)卻有可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是電容器。AlbertoGuerra進(jìn)一步指出克服該挑戰(zhàn)的解決之道為采用電路拓樸解決方案(軟開(kāi)關(guān)相對(duì)于硬開(kāi)關(guān))，在一定程度上可以減少這些元件所承受的應(yīng)力，滿(mǎn)足太陽(yáng)能業(yè)界相對(duì)于傳統(tǒng)功率管理應(yīng)用的特別需要。他還特別提示設(shè)計(jì)者選擇器件時(shí)需要特別注意半導(dǎo)體特性，包括電壓范圍或開(kāi)關(guān)速度。其次，太陽(yáng)能發(fā)電受制于建設(shè)成本高而發(fā)展遲滯，從經(jīng)濟(jì)帳上來(lái)看總發(fā)電成本也并不環(huán)保。效率是最重要的指標(biāo)，提高太陽(yáng)能逆變器的效率可以節(jié)約電流轉(zhuǎn)換中所損失的能量，進(jìn)而降低太陽(yáng)能發(fā)電的生產(chǎn)成本。提高效率，器件的設(shè)計(jì)使用也是非常關(guān)鍵。如何發(fā)揮IGBT模塊的優(yōu)勢(shì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)也密切相關(guān)，例如設(shè)計(jì)中應(yīng)努力減小功率電路的寄生電感，把IGBT驅(qū)動(dòng)得穩(wěn)定一些、更快一些，這都直接影響著系統(tǒng)效率。為此，英飛凌為風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能提供功率單元的整體設(shè)計(jì)方案，如PrimeStack和MODStack產(chǎn)品，可用于幾十千瓦到8兆瓦的逆變器。 

    目前，逆變器效率可以達(dá)到97.2%左右，繼續(xù)提高的效率空間也極其有限。一些公司嘗試以其他方式改善太陽(yáng)能發(fā)電的效率，其中以TI推出的“微逆變器”和NS的“電源優(yōu)化器”最具代表。 

    傳統(tǒng)逆變器與多個(gè)太陽(yáng)能電池模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，存在因日照不均、電池性能不均等原因?qū)е螺敵鲂�率下降的弊端，進(jìn)而導(dǎo)致整體的輸出功率大幅降低的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，出現(xiàn)了各個(gè)太陽(yáng)能電池模塊配備逆變器及轉(zhuǎn)換器功能的新架構(gòu)，即“微型逆變器”及“微型轉(zhuǎn)換器”。美國(guó)德州儀器(TI)負(fù)責(zé)太陽(yáng)能電池相關(guān)業(yè)務(wù)的DaveFreeman指出，這樣可以通過(guò)對(duì)各模塊的輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，使得整體的輸出功率最大化。

    此外，與通信功能組合的話，還可用于監(jiān)視各個(gè)模塊的狀態(tài)，檢測(cè)出出現(xiàn)故障的模塊。簡(jiǎn)而言之，微型逆變器是在各個(gè)模塊上全部配備上現(xiàn)有的逆變器功能。也就是說(shuō)，從輸出功率的優(yōu)化到DC-AC轉(zhuǎn)換均由模塊來(lái)進(jìn)行。從模塊輸出的功率為交流，可直接并入電網(wǎng)。IR也擁有滿(mǎn)足微逆變器和直流-直流解決方案需求的特殊產(chǎn)品，這些設(shè)備正代表著一種足以影響大陽(yáng)能逆變器的破壞性技術(shù)。 

    和一般電子設(shè)備的使用環(huán)境相比，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)所在環(huán)境要惡劣得多。一般面板安裝在野外，局部的陰影、不同的傾斜角度及面向方位、污垢、不同的老化程度、細(xì)小的裂縫以及不同光電板的不同溫度等容易造成系統(tǒng)失配，若光電板之間的電壓及電流失配，整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)便會(huì)出現(xiàn)失配問(wèn)題。此外，太陽(yáng)能系統(tǒng)的使用時(shí)間越長(zhǎng)，其發(fā)電量便越少，令投資回報(bào)大幅下跌。 

    傳統(tǒng)的太陽(yáng)能系統(tǒng)有其結(jié)構(gòu)性的缺陷，以致系統(tǒng)性能無(wú)法得到充分發(fā)揮，而且系統(tǒng)的使用時(shí)間越長(zhǎng)，效率便越低，這些缺點(diǎn)限制了太陽(yáng)能系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展，令太陽(yáng)能系統(tǒng)無(wú)法普及起來(lái)。”美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體亞太區(qū)核心市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)張耀強(qiáng)一針見(jiàn)血地指出，太陽(yáng)能系統(tǒng)面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。 

    美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體在2009年正式供貨的電源優(yōu)化器SolarMagic，可以利用分布式電路盡量提高每一模塊的發(fā)電量，而且還可調(diào)整每一排光電板的電壓和電流，直至全部取得平衡，以免系統(tǒng)出現(xiàn)失配。此外，每一模塊都具備監(jiān)控功能，因此不但可為系統(tǒng)提供額外防護(hù)，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，而且還可提高系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)操作更加穩(wěn)定可靠。 

    即使部分電池板受到陰影、灰塵覆蓋等情況的影響，SolarMagic電源優(yōu)化器仍可以跟蹤最佳的局部MPP(最大功率點(diǎn))，可挽回超過(guò)57%損失的發(fā)電量。同時(shí)，SolarMagic電源優(yōu)化器將輸入電壓/電流轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統(tǒng)中的能量傳輸。

    電源優(yōu)化器會(huì)以間接的方式互相通信，檢測(cè)自己的電流和電壓環(huán)境并自我調(diào)整，直到串聯(lián)的整排電池板能夠達(dá)到最佳值，同時(shí)在電池板級(jí)別達(dá)到局部?jī)?yōu)化點(diǎn)。SolarMagic電源優(yōu)化器積極解決了集中式MPPT固有的問(wèn)題，因此成功減輕了電池板不匹配問(wèn)題。 

    2009年全球經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了一次陣痛，隨著進(jìn)入2010年的到來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了復(fù)蘇的曙光。據(jù)iSuppli公司預(yù)測(cè)，2010年全球光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量將增長(zhǎng)68%，達(dá)到8.6GW。IR的AlbertoGuerra預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年中，太陽(yáng)能工程的市場(chǎng)每年的增長(zhǎng)率將達(dá)到20%到30%。相應(yīng)地，太陽(yáng)能逆變器的價(jià)格也會(huì)隨之下降。由于逆變器的成本占整體太陽(yáng)能系統(tǒng)成本的15%到20%，因?yàn)榇嬖诟�大的市�?chǎng)需求而得到價(jià)格支持，所以他認(rèn)為半導(dǎo)體價(jià)格的下降并不會(huì)造成行業(yè)的壓力。 

    “盡管未來(lái)難以預(yù)測(cè)，然而在每個(gè)工業(yè)化國(guó)家中，人們對(duì)于可再生能源政策的態(tài)度都有很大的改變。這種情況將會(huì)持續(xù)，更會(huì)延伸至更廣闊的范圍，力度也會(huì)加大。”AlbertoGuerra對(duì)未來(lái)持樂(lè)觀的態(tài)度，他認(rèn)為光伏市場(chǎng)將保持增長(zhǎng)勢(shì)頭，而太陽(yáng)能逆變器業(yè)界對(duì)功率產(chǎn)品的需求也將持續(xù)。■