作者：Damijan Zupancic
英飛凌電源與傳感系統事業部 應用市場經理
校對：徐斌
英飛凌電源與傳感系統事業部 應用管理經理
歐盟提出力爭在2030年前將碳排放水平降低62%。也就是說，要在7年時間內實現這一目標。顯然，全球朝著可再生能源邁進已成必然趨勢，全世界都在探索如何利用可再生能源來滿足能源需求，同時降低碳排放。就可再生能源和儲能系統而言，有許多幕後功臣在為生產可再生能源默默付出。
在今天的博文中，我們會進一步深入探討——隨著時代的發展，高效功率電晶體技術對組串式光伏逆變器的影響。在電力儲能系統中，光伏逆變器是進行電流轉換必不可缺的組件。
首先，來談一談組串式光伏逆變器及其功能。組串式光伏逆變器是將太陽光轉化為可用電力的無名英雄。它們進行電流轉換，以使電流兼容設備和電網。在使電流與電網同步的同時，它們必須最大限度地提高功率輸出，以確保太陽能系統高效運行。
隨著時代的發展，組串式光伏逆變器已取得了顯著進步，主要通過利用更高效的功率電晶體，減輕了重量，縮小了尺寸。這些技術進步在太陽能行業掀起了變革，提高了裝機便捷性和成本效益。通過採用更高效的功率電晶體，製造商已經能夠設計出占用更少空間的緊湊型逆變器，可以很容易地將之集成到家用和商用太陽能系統中。
這些精簡型逆變器不僅簡化了安裝過程，而且通過提高電流轉換效率提升了系統整體性能。隨著功率電晶體技術不斷發展，組串式光伏逆變器變得越來越輕便、越來越小巧的趨勢將繼續保持下去，促進廣泛採用太陽能發電作為清潔的可持續電力來源。
不同時期的組串式光伏逆變器採用的功率電晶體
從時間軸上看，早在2005年，我們的H5逆變器就採用IGBT模塊，實現了5kW單相和0.5W/in³功率密度。這種功率電晶體也具備主動冷卻功能。接下來，我們在2015年推出了5L逆變器，它基於150V OptiMOS™ Si FET 5kW單相，功率密度為3.3 W/in³。不同的是，這些功率電晶體實現了被動冷卻。自2020年起，我們提供了6kW單相Heric逆變器，功率密度為4.7W/in³，具備被動冷卻功能，如CoolMOS™產品系列。功率電晶體的未來無疑是光明的，因此，我們預計到2025年，採用碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料的寬禁帶（WBG）技術將如日中天。英飛凌提供的WBG功率電晶體系列包括CoolSiC™和CoolGaN™等。
圖1. 英飛凌功率電晶體系列
寬禁帶（WBG）電力電子行業的痛點包括，在競爭激烈的市場中物料成本頗高、供應局限和需要第二貨源。相比於通孔器件（THD），使用表面貼裝器件（SMD）降低了勞動力成本。在可靠性和降噪方面，無風扇設計趨勢明顯。更小巧、更緊湊的WBG設計支持一個人輕鬆完成安裝，降低了安裝成本。應對這些挑戰可以促進更廣泛地採用WBG技術。此外，寬禁帶技術通過頂部散熱優化了熱管理，提高了功率電晶體的性能。
圖 2. 功率電晶體演化史
在電力電子系統中，降低雜散電感對於實現更高開關頻率和提高效率起著至關重要的作用。較之傳統的THD封裝或功率模塊，SMD封裝可以大幅降低雜散電感。得益於此，功率電晶體能夠在更高開關頻率下工作。隨著新的寬禁帶（WBG）技術的興起，現在可以在提高開關頻率的同時，有效地控制開關損耗，滿足當今嚴格的效率標準。支持更高工作頻率，有利於縮小電感器和電容器尺寸。此外，通過實現具備更低功率損耗的新型電晶體，降低了散熱要求，減輕了對大量散熱的依賴。這些進步最終帶來了更緊湊的設計和更低物料成本（BoM），從而提高了電力電子系統的效率和成本效益。
總之，高效功率電晶體的發展對組串式光伏逆變器產生了重大影響，這是值得深思的現象。這些技術進步造就了更小巧、更輕便並且具備更出色性能的逆變器。最讓人讚嘆的是，這些創新解決了諸如高成本、供應局限和安裝困難等常見挑戰，推動了可再生能源的普及和可持續發展。能夠見證功率電晶體技術的不斷進步及其對更清潔的未來做出的貢獻，我感到無比振奮。
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