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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(zhuǎn)變。這個(gè)過程盡管曲折，但是對于大趨勢大家早已有了共識(shí)，加之近年來智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步掃清了可再生能源部署和應(yīng)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(bào)告，2024年至2030年期間，全球?qū)⒃黾映^5,500GW的可再生能源裝機(jī)容量，幾乎是2017年至2023年增幅的三倍，屆時(shí)可再生能源將滿足全球近一半的電力需求。
從技術(shù)角度來看，在各個(gè)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(yù)計(jì)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?yàn)槠渚哂腥齻€(gè)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(zhuǎn)化而來，更為清潔，有利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
3、低成本：光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)和部署的綜合成本較低，適用于大、中、小、微各類裝機(jī)容量，而且建成后的發(fā)電和維護(hù)成本也較低。
正因?yàn)樯鲜鲞@些優(yōu)勢，太陽能光伏基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(shè)施（如太陽能路燈）的分布式光伏設(shè)施也是遍地開花，由此也帶旺了整個(gè)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(gè)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(zhuǎn)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(yīng)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(diǎn)。
其中，微型光伏逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于路燈和交通燈等城市基礎(chǔ)設(shè)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(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)用的要求“組合”出不同功率等級(jí)的解決方案，很好地契合了光伏逆變器市場“單套設(shè)備功率等級(jí)/功率密度不斷提高，單價(jià)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(jī)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(huì)將微型和組串式逆變器作為市場發(fā)力點(diǎn)。
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(gòu)。以組串逆變器系統(tǒng)為例，其主要架構(gòu)包括三個(gè)部分：
太陽能電池板陣列
完成光伏能量轉(zhuǎn)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(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT（極大功率點(diǎn)跟蹤）功能，在不同的環(huán)境和光照條件下實(shí)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(zhuǎn)換為市電交流電壓，驅(qū)動(dòng)本地負(fù)載或并入公共電網(wǎng)。
圖3：光伏逆變器功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)（圖源：安森美）
不過，如果你以為上述幾個(gè)部分就是光伏逆變器的全部，那就想得太簡單了。實(shí)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(zhuǎn)換部分，一個(gè)完整的光伏逆變器想要實(shí)現(xiàn)精確、高效且安全、可靠的功率轉(zhuǎn)化，還要有傳感監(jiān)測、控制、柵極驅(qū)動(dòng)、電源管理，以及通信接口等功能電路的支持（如圖4），是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考量的因素也很多。
圖4：光伏逆變器系統(tǒng)架構(gòu)（圖源：安森美）
了解了太陽能光伏逆變器系統(tǒng)架構(gòu)，在確定設(shè)計(jì)藍(lán)圖之前，還要進(jìn)一步把握其發(fā)展的技術(shù)趨勢，這樣才會(huì)讓自己的設(shè)計(jì)不“落伍”且具有足夠的競爭力。
具體來講，當(dāng)今光伏逆變器的技術(shù)趨勢有三點(diǎn)：
1、第三代寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用中可簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yīng)用。當(dāng)然，這也勢必引發(fā)相關(guān)元器件和組件的升級(jí)。
3、隨著應(yīng)用場景的多元化，光伏逆變器的拓?fù)湟沧呦蚨鄻踊＿@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(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)實(shí)際要求選擇更合適的解決方案。
綜上所述，設(shè)想你是一個(gè)光伏逆變器的設(shè)計(jì)工程師，擺在你面前的有多重挑戰(zhàn)：既要應(yīng)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，又要面對應(yīng)用場景的多樣化，還要關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢，此外也要根據(jù)實(shí)際目標(biāo)應(yīng)用，在可行性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行權(quán)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(gè)痛點(diǎn)，也是一個(gè)彰顯實(shí)力的機(jī)會(huì)。這樣的機(jī)會(huì)，安森美 (onsemi) 把握住了！
為了減輕開發(fā)者的工作負(fù)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(xì)觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：所謂“一站式”解決方案，并未虛名，而是有“真材實(shí)料”。
首先，從圖5可以看出，這個(gè)解決方案涵蓋了光伏逆變器系統(tǒng)的各個(gè)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(qū)動(dòng)器、傳感、控制、外設(shè)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(diǎn)，也是一個(gè)顯著的差異化優(yōu)勢。以往半導(dǎo)體公司提供的解決方案，通常僅專注于有源器件，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，配套無源元件的選型、系統(tǒng)匹配，會(huì)占用開發(fā)者大量的時(shí)間和精力，有時(shí)候還會(huì)成為“致命”的瓶頸。而知名大功率無源和機(jī)電元件制造商Würth Elektronik的參與，令這項(xiàng)工作大為簡化，而且其在電磁兼容性方面的專業(yè)知識(shí)，還可確保客戶在從家用到工業(yè)應(yīng)用的各種功率等級(jí)的產(chǎn)品上，都獲得可靠的性能。
再有，這個(gè)太陽能光伏逆變器方案還具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，以滿足不同應(yīng)用場景、不同功率等級(jí)、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。不論是采用分立器件還是PIM模塊化設(shè)計(jì)，不論是采用高性價(jià)比的硅基器件還是先進(jìn)的SiC方案，不論是聚焦于大功率轉(zhuǎn)化功能還是尋求完整的系統(tǒng)級(jí)方案，你都可以從這一方案的中，找到對應(yīng)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(guān)鍵元器件（圖源：安森美）
光伏逆變器BOM中的亮點(diǎn)
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(huì)發(fā)現(xiàn)其中每一顆“料”都極具特點(diǎn)，可圈可點(diǎn)。
比如用于DC-DC轉(zhuǎn)換的預(yù)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(dú)特的工藝，該SiC二極管無反向恢復(fù)電流、開關(guān)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(guān)性能同時(shí)，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(shè)計(jì)進(jìn)行大的改動(dòng)，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(guān)注的器件是NCD57100柵極驅(qū)動(dòng)器。
大家知道，在功率電子系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器的角色十分關(guān)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(hào)轉(zhuǎn)化為更高電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)功率器件高效而可靠地導(dǎo)通和關(guān)斷。
NCD57100柵極驅(qū)動(dòng)器是大電流單通道IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有內(nèi)部電隔離功能，包括互補(bǔ)輸入、開漏故障和READY輸出。NCx5710y型號(hào)可在輸入側(cè)提供5V和3.3V信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器側(cè)具有寬偏置電壓范圍，包括負(fù)電壓能力。該柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)間短
DESAT，帶軟關(guān)斷
有源米勒鉗位和負(fù)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(qū)動(dòng)器是一個(gè)不可或缺的存在。
圖7：NCD57100柵極驅(qū)動(dòng)器（圖源：安森美）
本文小結(jié)
太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為全球可再生能源的中堅(jiān)力量；相應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)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——
