宽禁带使太阳能前景广阔

显然，可再生能源将是我们未来的重要组成部分，它既满足我们对电能的日益增长的需求，为电动汽车（EV）等新技术供电，也保护环境，减少我们对污染化石燃料和核能的依赖。

在使用的各种形式的可再生能源中，太阳能和风能已成为最常使用的能源，并负责产生大多数清洁可再生能源。在这两种技术中，太阳能正在成为主导技术，其发电量几乎是风力发电的两倍。实际上，2017年部署的太阳能发电量大于同期基于化石燃料的发电总量，这是全球转向清洁可再生能源的重要里程碑。

太阳能发电的发展有巨大的市场机会，因为它目前仅占全球总发电量的12%（相当于500 GW）。亚太地区的产能领先，占全球一半以上，其中以占全球太阳能部署量三分之一的中国为主。欧洲目前占全球产能的四分之一以上，而美国约占全球产能的六分之一。

太阳能的快速增长（有人估计其复合年增长率（CAGR）约为30%）是由三个主要因素驱动：对更大功率持续强烈的需求、技术进步以及政府法规和倡议。光伏面板正在不断改进，以更高效地将阳光转化为电能，和从较小的表面积产生更多的电能，从而使住宅设施更有效。

各国政府正在制定政策刺激太阳能增长，如中国声明到2020年清洁能源必须满足其20%的能源需求。欧盟进一步实施其“20-20-20”目标：到2020年，能效将提高20%，二氧化碳排放量降低20%，可再生能源将产生20%的能量。

太阳能发电技术

光伏面板产生直流电压，当与DC-DC充电器一起使用时，可用于“离网”电源，对存储能量的电池组进行充电，以备后用。但是，大多数设备都需要市电电压下的交流电源，因此，在许多系统中，从光伏面板电压生成交流电压的逆变器至关重要。这种方法被称为“并网”，因为交流电可以连接回主电网，从而为房主提供机会向发电公司出售电力以抵消账单。

逆变器尺寸方面，趋势是从超过100 kW的高功率中央逆变器转向每台能够提供高达100 kW功率的多串逆变器。这些系统的核心是DC -DC升压转换器和DC - AC逆变器，从光伏面板获得的DC电压生成AC电源电压（和频率）。除此以外，还有一系列精密的监测、控制和保护电路，以确保系统安全高效地运行。

能效是任何太阳能光伏系统的关键目标之一，以至能量不会浪费，并且尽可能少地产生不需要的热量。系统的能效越高，在散热器、风扇和其他硬件方面所需的冷却就越少，从而减小了系统的大小、重量和成本。

图1 典型的太阳能发电逆变系统框图

宽禁带技术对未来的太阳能发电系统至关重要

可以说，电源转换器最重要的元件开关器件如MOSFET、IGBT和二极管，通常由硅制成。由于这些器件对太阳能发电系统的能效至关重要，因此，领先的半导体公司如安森美半导体已大量投资，以不断提高性能。然而，该行业已到了采用硅器件几乎不可能进一步改进的程度。因此，基于宽禁带（WBG）材料的开关器件，包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），被视为是提供未来太阳能发电系统所需性能的关键。

SiC开关器件有时被称为“解决所有电源工程师问题的方案”，在一些关键领域提供增强的性能。在静态应用中，它们在完全接通时固有的更低电阻可降低损耗，因此在运行期间产生的热量更少。

在现代开关电源应用中，工程师的目标是提高开关频率，从而能够减小电感器和变压器等磁性器件的尺寸。这种方法减少了许多逆变器设计中接通时出现的浪涌电流。采用基于硅的MOSFET，每个开关周期所需的门极电荷（Qg）量相对较大，因此，随着频率的增加，动态损耗也随之增加。

使用SiC器件时，动态开关损耗要小得多，因而能使用更高的开关频率，同时仍能提高性能（并减小尺寸）。相比之下，典型的SiC二极管以80kHz工作时，其损耗要比硅二极管小73%。在大功率太阳能发电系统中，提高约3%的能效将带来显著的性能提升。

人们仍然认为SiC方案很贵。但事实并非如此，尽管这些器件已在市场上销售了一段时间，但采用率一直低于预期，因为关注点在单个器件的成本而不是整个系统的成本或总拥有成本。

如果我们考虑使用硅基30 kW电源方案，则电感器和电容器的成本为90%（分别为60%和30%）。半导体器件仅占总物料单（BOM）成本的10%。尽管单个SiC器件的成本要比对应的硅器件高，但使用SiC开关可使电容和电感值降低75%，显著降低了成本，从而抵消了开关器件的成本增加。因此，SiC方案用于太阳能发电系统的BOM总成本已达到可以低于硅方案的水平，并具有显著的应用和性能优势。

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