隨著人們對低碳節(jié)能的關注不斷提升，新能源逐步成為了產(chǎn)業(yè)的一種發(fā)展趨勢。太陽能作為一種新能源，為電池制造、電源轉(zhuǎn)換等相關企業(yè)提供了發(fā)揮的新舞臺。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，而且太陽能發(fā)電最終將走向并網(wǎng)運行，這就意味著太陽能發(fā)電必須通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動家用電器等負載。因此，逆變器在太陽能發(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干擾的交流正弦波輸出，既可供設備使用，也可反饋給電網(wǎng)。除了實現(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，避免電路因電流突波而損壞，此外還能為電池充電、對數(shù)據(jù)的使用和性能進行存儲，以及跟蹤最大功率點(MPPT)等，以盡可能提高發(fā)電的效率。 

    盡管近年來太陽能電池制造企業(yè)一直致力于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但是就2010年2月太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率來看，15cm×15cm厚200μm的太陽能電池也只能實現(xiàn)19.3%的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽能面板的光電轉(zhuǎn)換效率相對低(平均約在15%左右)，所以，從太陽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。 

    太陽能逆變器性能提高更依賴于功率開關器件,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。中國目前主要發(fā)展的是中大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)，金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法規(guī)定，單個項目裝機容量不低于300kWp。隨著單機功率增大，太陽能逆變器受技術和器件限制，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計使用是關鍵。 

    在中小功率的太陽能逆變器中不少公司擁有自己的專利電路結構，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。英飛凌為太陽能應用開發(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IGBT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100KW以上的太陽能逆變器效率達到一個更高的水平。此外，英飛凌的構槽柵場終止技術FieldStopIGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽能逆變器也有出色的表現(xiàn)。

    IR也是太陽能技術的先驅(qū)。AlbertoGuerra介紹，早在60年代初期，IR生產(chǎn)的太陽能電池片便用于首個衛(wèi)星之上，甚至用來驅(qū)動首輛太陽能電動汽車。時至今日，IR為太陽能業(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)務級別應用的串式逆變器。IRMOSFET及IGBT技術發(fā)揮了先進的效能，可用于不同的太陽能逆變器拓樸，如單相和三相的設計，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。

        對于熟悉功率管理的工程師而言，設計太陽能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器有什么要點需要額外注意？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達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，設計師必須考慮光伏系統(tǒng)逆變器的使用壽命。太陽能逆變技術業(yè)界對于產(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。盡管半導體元件通常都達到這種可靠性水平，但對于無源元件來說卻有可能是一個挑戰(zhàn)，特別是電容器。AlbertoGuerra進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(軟開關相對于硬開關)，在一定程度上可以減少這些元件所承受的應力，滿足太陽能業(yè)界相對于傳統(tǒng)功率管理應用的特別需要。他還特別提示設計者選擇器件時需要特別注意半導體特性，包括電壓范圍或開關速度。其次，太陽能發(fā)電受制于建設成本高而發(fā)展遲滯，從經(jīng)濟帳上來看總發(fā)電成本也并不環(huán)保。效率是最重要的指標，提高太陽能逆變器的效率可以節(jié)約電流轉(zhuǎn)換中所損失的能量，進而降低太陽能發(fā)電的生產(chǎn)成本。提高效率，器件的設計使用也是非常關鍵。如何發(fā)揮IGBT模塊的優(yōu)勢與系統(tǒng)設計工程師設計也密切相關，例如設計中應努力減小功率電路的寄生電感，把IGBT驅(qū)動得穩(wěn)定一些、更快一些，這都直接影響著系統(tǒng)效率。為此，英飛凌為風力發(fā)電和太陽能提供功率單元的整體設計方案，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)逆變器與多個太陽能電池模塊串聯(lián)的結構，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，進而導致整體的輸出功率大幅降低的問題。為了解決這一問題，出現(xiàn)了各個太陽能電池模塊配備逆變器及轉(zhuǎn)換器功能的新架構，即“微型逆變器”及“微型轉(zhuǎn)換器”。美國德州儀器(TI)負責太陽能電池相關業(yè)務的DaveFreeman指出，這樣可以通過對各模塊的輸出功率進行優(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)視各個模塊的狀態(tài)，檢測出出現(xiàn)故障的模塊。簡而言之，微型逆變器是在各個模塊上全部配備上現(xiàn)有的逆變器功能。也就是說，從輸出功率的優(yōu)化到DC-AC轉(zhuǎn)換均由模塊來進行。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，這些設備正代表著一種足以影響大陽能逆變器的破壞性技術。 

    和一般電子設備的使用環(huán)境相比，太陽能光伏系統(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，整個太陽能系統(tǒng)便會出現(xiàn)失配問題。此外，太陽能系統(tǒng)的使用時間越長，其發(fā)電量便越少，令投資回報大幅下跌。 

    傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)有其結構性的缺陷，以致系統(tǒng)性能無法得到充分發(fā)揮，而且系統(tǒng)的使用時間越長，效率便越低，這些缺點限制了太陽能系統(tǒng)的市場發(fā)展，令太陽能系統(tǒng)無法普及起來。”美國國家半導體亞太區(qū)核心市場業(yè)務發(fā)展總監(jiān)張耀強一針見血地指出，太陽能系統(tǒng)面對的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。 

    美國國家半導體在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，降低系統(tǒng)的維護成本，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)，可挽回超過57%損失的發(fā)電量。同時，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)化器會以間接的方式互相通信，檢測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到最佳值，同時在電池板級別達到局部優(yōu)化點。SolarMagic電源優(yōu)化器積極解決了集中式MPPT固有的問題，因此成功減輕了電池板不匹配問題。 

    2009年全球經(jīng)濟經(jīng)歷了一次陣痛，隨著進入2010年的到來，半導體產(chǎn)業(yè)迎來了復蘇的曙光。據(jù)iSuppli公司預測，2010年全球光伏系統(tǒng)裝機容量將增長68%，達到8.6GW。IR的AlbertoGuerra預測，在未來幾年中，太陽能工程的市場每年的增長率將達到20%到30%。相應地，太陽能逆變器的價格也會隨之下降。由于逆變器的成本占整體太陽能系統(tǒng)成本的15%到20%，因為存在更大的市場需求而得到價格支持，所以他認為半導體價格的下降并不會造成行業(yè)的壓力。 

    “盡管未來難以預測，然而在每個工業(yè)化國家中，人們對于可再生能源政策的態(tài)度都有很大的改變。這種情況將會持續(xù)，更會延伸至更廣闊的范圍，力度也會加大。”AlbertoGuerra對未來持樂觀的態(tài)度，他認為光伏市場將保持增長勢頭，而太陽能逆變器業(yè)界對功率產(chǎn)品的需求也將持續(xù)。■