太陽能如何實現高效率的轉化

光伏—“新基建”和“碳中和”的新寵兒太陽能作為一種可再生的清潔資源，具有兩大優勢： 一是可以直接利用，特別是在偏遠或者離網區域；二是它足夠多：據計算，海平面上，每平方米每天可產生1kW電力，如果考慮日/夜周期，入射角，季節性等因素，每天每平方米或可以產生6kWh電量。

盡管，我們每天都能見到的太陽能是免費的，但如何實現高效率的轉化？ 轉化率20%-30%是理想狀態，實際上轉換效率可能會因各種原因而降低轉換效率：降雨，積雪和灰塵沉積，材料老化以及環境變化，例如由于植被的生長或新建筑物的安裝而增加陰影。 提高效率的最大技術之一是逆變器的設計，逆變器將太陽能電池的直流輸出轉換為交流電流，以便直接消耗或通過電網傳輸。逆變器通過切換直流輸入電流的極性來工作，使其接近交流輸出。

其工作原理是：開關頻率越高，轉換效率越高。簡單的開關即可產生方波輸出，可以驅動負載，但是諧波會損失更多的電流。因此，逆變器需要平衡開關頻率以提高效率、工作電壓和功率容量。

△ Single Boost拓撲

碳化硅（SiC）應用優勢 碳化硅用作光伏領域前景廣闊，目前，我國碳化硅產業已經處于高速發展時期，它的快速發展也帶動原材料與設備兩個千億級產業，鏈接多個核心市場。以光伏領域為例，CASA 數據評估：預計到2025年，碳化硅功率器件在光伏逆變器中的占比將高達50%。綜合統計新增和更換兩大市場，屆時我國光伏領域碳化硅的需求量將達到16萬片。

△ 全球光伏預計新增裝機規模 近年來，太陽能電池板的“大尺寸、高功率、大密度”發展趨勢非常明顯，傳統光伏逆變器硅基器件無法滿足效率和發熱方面的需求，因此各方面性能更優越的碳化硅器件脫穎而出。

碳化硅（SiC）在太陽能發電應用中比硅具有多種優勢，其擊穿電壓是傳統硅的十倍以上， 比硅更低的導通電阻，柵極電荷和反向恢復電荷特性，以及更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件可以在比硅等效器件更高的電壓，頻率和電流下切換，同時更有效地管理散熱。

△ Si與SiC在600V/700V效率對比 硅MOSFET廣泛用于高達300V的開關應用中，高于該電壓時，器件的導通電阻上升，設計者不得不轉向較慢的雙極器件。SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET，同時保留了低壓硅器件的快速開關速度優勢。開關性能也相對獨立于溫度，從而在系統升溫時實現穩定的性能。

SiC的導熱系數也是硅的3倍，可以在更高的溫度下運行。硅在175℃左右就無法正常運行，甚至在200攝氏度時直接會變成導體。而SiC直到1000℃左右才發生這種情況。 可以通過兩種方式利用SiC的熱特性。首先，它可以用于制造功率轉換器，而該轉換器所需的冷卻系統要少于等效的硅系統。另外，SiC在較高溫度下的穩定運行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉換系統，例如車輛和蜂窩基站。

由于功率轉換效率與開關頻率直接相關，因此，SiC既可以處理比硅更高的電壓，又可以確保高轉換效率所需的超高轉換頻率，實現了雙贏。

“十四五”戰略規劃和2035年遠景目標提出，要加速推動碳化硅等第三代半導體產業化進程。未來隨著光伏發電市場的蓬勃發展，光伏逆變器的應用將大幅增長。彈性市場需求疊加剛性政策目標，“光伏熱”持續發力，而光伏逆變器作為光伏發電系統的“大腦”，碳化硅順應時勢應用到光伏逆變器中的優勢顯而易見。

審核編輯：彭菁