碳化矽如何實現更高能效分散式太陽能發電

作者 : Brandon Becker,安森美半導體(ON Semiconductor)寬能隙產品線經理

出於能隙的原因,SiC在的太陽能管理中比矽具有多種材料優勢。包括它們能夠以高速開關高壓和電流,損耗低、熱性能好…

消費者、各產業和政府都在採取措施增加對可再生能源的利用。這正在將發電和配電系統從很大程度上集中式的輪輻式架構,重塑為更網格化的當地語系化發電和消耗方法,透過智慧電網互連來平穩供需。

根據國際能源署(IEA) 2019年10月的燃料報告,到2024年,可再生能源發電量將成長50%。這意味著全球可再生能源發電量將增加1,200GW,相當於美國目前的裝機容量。該報告預測,這增長的60%將以太陽能(PV)設備的形式出現。

 

圖1:2019~2024年可再生能源發電量增長(依技術分類)。

(來源:IEA)

 

該報告還強調了分散式太陽能發電系統的重要性,因為消費者、商業建築和工業設施開始生產自己的電力。報告預測,到2024年,分散式太陽能發電量將倍增,超過500GW,這意味著分散式太陽能發電將佔太陽能總成長的近一半。

 

圖2:2007~2024年各細分市場分散式太陽能發電產能成長。

(來源:IEA)

 

太陽能優勢

為什麼太陽能發電在可再生能源發電量的增長中佔如此主導地位?一個明顯的原因是太陽光照在我們所有人身上,因此它的能量非常廣泛可用。這對於減少配電損耗特別有用,使發電更接近消耗,將電力輸送到離網地點。

另一個明顯的原因是太陽能太多。計算地球從太陽接收多少能量有許多細微差別,但是一條經驗法則是,晴天在海平面為每平方公尺1kW,或者每天每平方公尺6kWh,考慮因素包括日/夜週期、入射角、季節性等。

太陽能電池利用光電效應將入射光以光子流的形式轉化為電能。光子被半導體材料如摻雜的矽吸收,它們的能量將電子激發出其分子或原子軌道。然後,這些電子可以自由地將其多餘的能量作為熱量散失並返回其軌道,或者傳播到電極並成為電流的一部分,以抵消由其在電極上的存在而產生的電勢差。

與所有能量轉換過程一樣,並非所有輸入太陽能電池的能量都以首選的電形式輸出。實際上,多年來,單晶矽太陽能電池的能效一直徘徊在20~25%之間。但是,太陽能的機會如此大,以至於研究團隊幾十年來一直致力於使用日益複雜的結構和材料來提高電池轉換能效,如NREL的這張圖所示。

 

圖3:1976~2020年全球太陽能電池最佳轉換效率。

(來源:NREL)

 

通常以使用多種不同材料,和更複雜、更昂貴的製造技術為代價來實現所示的更高能效。

許多太陽能設備依靠各種形式的晶體矽或矽、碲化鎘(CdTe)或硒化銅銦鎵(CIGS)的薄膜,轉換能效在20~30%的範圍內。電池內建在模組中,這些模組被設計為安裝人員在建構太陽能發電系統時所使用的基本單元。

能效挑戰

太陽能轉換將入射到地球每平方公尺表面的太陽能kW數轉換為200W~300W的電能。當然,這是在理想條件下。轉換效率可能會因以下原因而降低:雨、雪和灰塵沉積在電池表面、半導體材料的老化效應,以及環境變化,如由於植被的生長或新建築物的建造而增加的陰影。

因此,現實是,儘管太陽能是免費的,但利用太陽能產生有用的電能需要仔細最佳化採集、儲存和轉換為電能的每個階段。提高能效的最大機會之一是逆變器的設計,它將太陽能電池陣列(或其電池儲存)的直流輸出轉換為交流電流,以便直接消耗或透過電網傳輸。

逆變器切換直流輸入電流的極性,使其接近交流輸出。開關頻率越高,轉換效率越高。簡單的開關可產生方波輸出,可以驅動電阻負載,但具有諧波,會損壞由純正弦波直流供電的更複雜電子裝置。因此,逆變器設計成為一個平衡的關鍵,一方面增加開關頻率以提高能效、工作電壓和發電量,另一方面將平滑方波所用的輔助元件成本降至最低。

碳化矽(SiC)的優勢

出於能隙的原因,SiC在的太陽能管理中比矽具有多種材料優勢,也就是說,使電子可用於導電的能量消耗量幾乎是矽的三倍。SiC元件承受的擊穿電場幾乎是矽的10倍,從而使SiC元件與類似結構的矽相比,能在高得多的電壓高效地工作。SiC元件還具有比矽更低的導通電阻、閘極電荷和反向恢復電荷特性,以及更高的熱導率。這些特性說明SiC元件可以比矽同等元件以更高的電壓、頻率和電流來開關,同時更高效地管理熱量累積。

SiC用於製造不適合用矽製造的元件。MOSFET在開關應用中受到青睞,因為它們是單極元件,這意味著它們不使用少數載流子。矽雙極型元件既使用多數載流子又使用少數載流子,可在比矽MOSFET高的電壓下工作,但是由於它們在開關時需要等待電子和空穴重新結合,以及耗散重組能量,因此其開關速度變慢。

矽MOSFET廣泛用於高達約300V的開關應用中,高於該電壓時,元件的導通電阻上升到設計人員不得不轉向較慢的雙極替代品的地步。SiC的高擊穿電壓意味著它可用來製造比矽可能更高電壓的MOSFET,同時保留了低壓矽元件的快速開關的速度優勢。開關性能也相對不受溫度影響,從而實現在系統升溫時穩定的性能。

由於功率轉換能效與開關頻率直接相關,因此,SiC既能比矽處理更高的電壓,又能確保高轉換能效所需的高速開關,因此是雙贏。

SiC的導熱係數也是矽的三倍,因此可以在更高的溫度下工作。矽在175℃左右停止充當半導體,而在200℃左右成為導體,而SiC直到達到1,000℃時才發生這種情況。SiC的熱特性優勢可用於兩方面,首先,它可用於功率轉換,其所需的冷卻量要少於同等矽系統;另外,SiC在較高溫度下的穩定運作可用於製造極高密度的電源轉換系統,用於空間非常寶貴的應用,如車輛和蜂巢基地台。

可以看到SiC這些優勢在功率升壓電路中發揮了作用,它使太陽能轉換的效率更高。該電路設計用於使太陽能電池陣列的輸出阻抗(隨入射光的水準而變化)與逆變器所需的輸入阻抗相匹配,以實現最高效的轉換。

 

圖4:導入SiC元件以提高太陽能升壓電路的轉換效率。

(來源:安森美半導體)

 

成本最低的方法是使用矽二極體和MOSFET。第一個最佳化方案是用SiC版本取代矽二極體,這將提高電路的功率密度和轉換能效,從而降低系統成本。也可以用SiC等效替代矽MOSFET,這為設計人員提供更多的開關頻率選擇,從而進一步提高了電路的轉換能效和功率密度。

SiC功率元件提供比矽更勝一籌的許多優勢,包括它們能夠以高速開關高壓和電流,損耗低、熱性能好。儘管目前它們在類似基礎上可能比矽等效產品更昂貴(如果可以使用矽替代產品),但它們在系統內的性能可節省成本,如在冷卻的複雜性遠優於矽。然後是能效問題:如果佈建SiC可提高所有分散式太陽能系統的功率轉換能效,IEA預計到2024年就算僅安裝2%,也將多產生驚人的10GW發電量。

 

 

 

 

 

 

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