【導讀】《建築節能與可再生能源利用通用規範》於2022年4月1日起開始實施，其中明確：新建建築應安裝太陽能係統，其中的集熱器設計使用壽命應高於15年，光伏組件設計使用壽命應高於25年(nian)。在(zai)世(shi)界(jie)範(fan)圍(wei)內(nei)，也(ye)有(you)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)國(guo)家(jia)開(kai)始(shi)強(qiang)製(zhi)要(yao)求(qiu)新(xin)住(zhu)宅(zhai)安(an)裝(zhuang)太(tai)陽(yang)能(neng)係(xi)統(tong)。太(tai)陽(yang)能(neng)市(shi)場(chang)預(yu)計(ji)在(zai)未(wei)來(lai)十(shi)年(nian)內(nei)將(jiang)出(chu)現(xian)驚(jing)人(ren)的(de)增(zeng)長(chang)也(ye)就(jiu)不(bu)足(zu)為(wei)奇(qi)了(le)。預(yu)計(ji) 2021 年至 2025 年光伏逆變器市場容量將達到近 1 太瓦，總市值達 540 億美元。根據太陽能行業研究數據
，與儲能係統配對的住宅和商業太陽能係統的百分比正在上升，從 2021 年的 11% 增加到 2025 年的預期 29%（圖 1）。能源成本增加
，而太陽能係統成本在 5 年期間降低約 33% 
，推動太陽能住宅市場的增長。

圖 1.太陽能係統與儲能係統配對的百分比

安森美 (onsemi) 提供廣泛的高功率矽基和碳化矽 (SiC) 分立器件，適用於各種功率水平的住宅、商業和公用事業太陽能係統（圖 2）。

圖 2. 用於太陽能係統的安森美功率半導體

住宅太陽能係統：概述

住宅太陽能有很多好處
，包括通過可靠清潔的綠色能源為家用電器供電
、為電動汽車充電，以及向電網傳輸電力。

住宅太陽能逆變器係統是家用發電和儲能解決方案。光伏 (PV) 麵板陣列產生可變直流電壓。DC/DC 升壓轉換器使用最大功率點跟蹤 (MPPT) 將可變電壓提升到直流母線電壓工作水平。MPPT 根據不同環境條件下太陽的運動和位置優化捕獲的能量。然後該直流母線電壓通過單相 DC/AC 逆變器連接到負載或電網。該逆變器將來自太陽能麵板陣列的直流母線電壓（通常< 600 VDC）轉換為 120 VAC 到 240 VAC 範圍內的交流電壓。

有幾種住宅太陽能逆變器。最常見的是微型逆變器和組串式逆變器。基於微型逆變器的太陽能係統利用多個 DC/AC 逆變器，每個逆變器連接到一個麵板，產生不超過 1 kW 的輸出（圖 3）。因yin為wei每mei個ge麵mian板ban都dou有you一yi個ge逆ni變bian器qi

，所suo以yi這zhe種zhong方fang法fa比bi組zu串chuan逆ni變bian器qi方fang法fa成cheng本ben更geng高gao。然ran而er，由you於yu每mei個ge麵mian板ban電dian壓ya水shui平ping都dou是shi單dan獨du跟gen蹤zong的de

，因yin此ci陣zhen列lie的de整zheng體ti能neng效xiao更geng高gao。此ci外wai
，係xi統tong易yi於yu擴kuo展zhan
，因yin為wei所suo需xu的de能neng量liang容rong量liang決jue定ding了le所suo需xu逆ni變bian器qi的de數shu量liang。

圖 3.基於微型逆變器的太陽能係統

基於組串式逆變器的太陽能係統整合了來自串聯光伏麵板的多個輸入，使用 DC/DC 升壓轉換器中的 MPPT 進行優化（圖 4）。該(gai)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)低(di)於(yu)基(ji)於(yu)微(wei)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)
，並(bing)可(ke)支(zhi)持(chi)數(shu)百(bai)伏(fu)電(dian)壓(ya)。然(ran)而(er)
，由(you)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)麵(mian)板(ban)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)，因(yin)此(ci)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)的(de)情(qing)況(kuang)。例(li)如(ru)
，如(ru)果(guo)串(chuan)聯(lian)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)麵(mian)板(ban)處(chu)於(yu)陰(yin)影(ying)下(xia)，則(ze)整(zheng)個(ge)串(chuan)聯(lian)將(jiang)受(shou)到(dao)同(tong)等(deng)程(cheng)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。

圖 4.基於串式逆變器的太陽能係統

為了解決這些效率低下問題，用戶可以引入功率優化器（圖 5）。功率優化器基本上是一個帶有集成 MPPT 的 DC-DC 轉換器，可將來自 PV 麵板的可變 DC 電壓轉換為固定 DC 電壓。功率優化器可以添加到任何單個麵板
，為用戶提供了一種靈活的方式來適應低 PV 輸出，而不會影響其他連接麵板的效率。

圖 5.連接到各個麵板的功率優化器

住宅太陽能係統的另一個重要部分是電池儲能係統 (BESS)（圖 6）。對於大多數住宅用例，能源采集發生在能源需求較低時（即日照時間和居住者不在家時）。儲能係統會將能量存儲在鋰離子或鉛酸電池中，讓房主在方便時靈活地使用能源（即日落之後和家人在家時）。

將 BESS 連lian接jie到dao太tai陽yang能neng係xi統tong就jiu形xing成cheng了le一yi個ge雙shuang向xiang轉zhuan換huan器qi。當dang麵mian板ban發fa電dian時shi
，該gai轉zhuan換huan器qi可ke為wei鋰li離li子zi或huo鉛qian酸suan電dian池chi陣zhen列lie充chong電dian。當dang麵mian板ban不bu產chan生sheng能neng量liang時shi，例li如ru在zai夜ye間jian
，雙shuang向xiang轉zhuan換huan器qi可ke以yi釋shi放fang存cun儲chu的de能neng量liang來lai驅qu動dong連lian接jie的de負fu載zai。即ji使shi在zai電dian力li短duan缺que或huo停ting電dian期qi間jian，本ben地di儲chu能neng也ye能neng確que保bao家jia庭ting擁yong有you可ke靠kao的de供gong電dian。通tong過guo這zhe種zhong方fang法fa，用yong戶hu可ke以yi采cai購gou模mo塊kuai化hua儲chu能neng係xi統tong
，它ta們men可ke以yi輕qing鬆song添tian加jia到dao現xian有you太tai陽yang能neng係xi統tong中zhong，而er無wu需xu對dui現xian有you係xi統tong進jin行xing重zhong大da改gai動dong。

圖 6.連接到太陽能係統的電池儲能係統 (BESS)

DC-DC 升壓轉換器

為了實現高效率，包含在組串式或微型逆變器中的 DC-DC 轉換器使用 MPPT 在不同環境條件下盡可能地提高光伏麵板產生的功率。DC-DC zhuanhuanqikeyijiyugezhonggelishihefeigelishituopujiegou。duiyutaiyangnengzhuzhaizhuanhuanqi，zuichangjiandefeigelituopujiegoushidanshengyazhuanhuanqi。yizhongchangjiandegelishituopujiegoushifanjishizhuanhuanqi（圖 7）。

單(dan)升(sheng)壓(ya)和(he)反(fan)激(ji)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)勢(shi)是(shi)低(di)成(cheng)本(ben)和(he)纖(xian)薄(bo)的(de)外(wai)形(xing)。與(yu)對(dui)稱(cheng)升(sheng)壓(ya)和(he)飛(fei)跨(kua)電(dian)容(rong)升(sheng)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)相(xiang)比(bi)
，單(dan)升(sheng)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)采(cai)用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)路(lu)和(he)簡(jian)單(dan)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)。

圖 7.用於隔離和非隔離 MPPT DC/DC 轉換器的電源開關

DC-AC 轉換器

逆變器可以基於多種拓撲結構。對於住宅市場，使用的常見拓撲結構是 HERIC H6.5 轉換器，使用安森美 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊進行實施（圖 8）。使用基於 HERIC 的拓撲結構
，可以實現無變壓器設計，從而降低整體係統重量
、尺寸和成本。該拓撲結構可以解決由共模 (CM) 電壓作用於光伏陣列的寄生電容引起的漏電流問題。此外

，作為三電平拓撲結構
，它的效率比基於 H 橋的方法更高。通常


，建議對單相和三相應用使用 三(san)電(dian)平(ping)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)
，以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)諧(xie)波(bo)並(bing)提(ti)供(gong)更(geng)平(ping)滑(hua)的(de)輸(shu)出(chu)。雖(sui)然(ran)多(duo)級(ji)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)需(xu)要(yao)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)，但(dan)它(ta)們(men)提(ti)供(gong)了(le)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)和(he)效(xiao)率(lv)。

圖 8.具有 H6.5 拓撲結構的 NXH75M65L4Q1 IGBT 模塊

雙向 DC-DC 轉換器

雙向 DC-DC 轉換器（圖 9）對包含在本地儲能係統中的電池進行充電和放電。該轉換器通常是諧振 CLLC 或DAB降壓-升壓隔離拓撲結構，為太陽能係統部署以下功能：

●  啟用雙向功率流用於電池充電和放電

●  支持寬輸入/輸出電壓範圍

●  通過 ZVS（零電壓開關）提高效率

●  將電池組與 PV 麵板隔離以確保安全

圖 9.雙向 DC/DC 轉換器

安森美電源產品為高效太陽能逆變器帶來價值

安森美在矽 MOSFET 中采用了屏蔽柵極溝槽技術（圖 10）。這(zhe)項(xiang)創(chuang)新(xin)通(tong)過(guo)在(zai)柵(zha)極(ji)上(shang)加(jia)入(ru)屏(ping)蔽(bi)多(duo)晶(jing)矽(gui)結(jie)構(gou)來(lai)增(zeng)強(qiang)垂(chui)直(zhi)溝(gou)槽(cao)設(she)計(ji)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)電(dian)阻(zu)和(he)電(dian)容(rong)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)。較(jiao)低(di)的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)和(he)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)有(you)利(li)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)陣(zhen)列(lie)和(he)電(dian)網(wang)之(zhi)間(jian)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)。使(shi)用(yong)較(jiao)低(di)的(de)動(dong)態(tai)電(dian)容(rong)，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)運(yun)行(xing)。而(er)更(geng)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)有(you)助(zhu)於(yu)減(jian)小(xiao)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)和(he)無(wu)源(yuan)組(zu)件(jian)（即電感）的de重zhong量liang
，這zhe對dui於yu節jie省sheng成cheng本ben至zhi關guan重zhong要yao。為wei了le增zeng強qiang可ke靠kao性xing
，屏ping蔽bi柵zha極ji技ji術shu采cai用yong了le內nei部bu緩huan衝chong電dian路lu
，可ke抑yi製zhi開kai關guan轉zhuan換huan期qi間jian的de電dian壓ya過guo衝chong
，從cong而er降jiang低di開kai關guan噪zao聲sheng。

矽 MOSFET 的封裝結構改善了整個係統的散熱。具有低封裝寄生（電阻和電感）特性的高功率密度緊湊型封裝結構采用頂部和底部金屬散熱表麵，以控製器件結溫並提高係統可靠性和壽命。

圖 10.矽 MOSFET 屏蔽柵極溝槽技術

安森美還提供額定電壓為 600 V 和 650 V 的矽 IGBT。IGBT 采用窄台麵
、寬溝槽寬度第4代場截止  (FS4) 技術，具有閂鎖抗擾度和更小的柵極電容。場截止層增加了阻擋能力並減少了漂移層厚度，進而將導通和開關能量損耗降低到 30 μJ/A 以下。它還可以降低熱阻，從而實現更小的芯片和封裝尺寸。FS4 IGBT 設計在 4 kW 升壓轉換器中表現出比第3代場截止 (FS3) 設計更好的輕負載功率效率，與最佳競品的表現相當（圖 11）。

圖 11.4 kW 升壓轉換器中的場截止 4 (FS4) 效率

碳化矽的優勢

SiC 的優勢首先是材料本身具有比矽高 10 倍的介電擊穿場強、高 2 倍的電子飽和速度、高 3 倍的能量禁帶和高 3 倍的熱導率（圖 13）。係統優勢體現為盡可能高的效率，通過降低功率損耗
，提高功率密度和工作頻率、降低工作溫度和 EMI
，以及最重要的降低係統尺寸和成本來實現。

基於 SiC 的太陽能逆變器係統以更小的外形實現了比矽基產品更好的性能。與矽 IGBT 相比，Eon 和 Eoff 損耗在高頻開關期間顯著降低。此外，與 IGBT 相比
，SiC 在溫度範圍內的可靠性和穩定性更優。與超級結 MOSFET 相比，在高開關頻率下使用 SiC 時
，EMI 要低得多。高頻運行期間增強的散熱性能和更低的開關損耗減少了係統占用麵積

，從而使逆變器更輕。

圖 12.碳化矽 (SiC) 與矽的比較（資料來源：Yole Development）

安森美 650 V SiC 分立器件相對於競品，在 VGS 和溫度兩方麵都具有更低的 Rds(ON)（圖 14 和 15）。這些 SiC 組件還能夠以負柵極電壓驅動，提高抗噪性並避免半橋中的誤導通。

圖 13.RDS(ON) 比較（不同 VGS 時）（PN：NTH4L045N065SC1）

圖 14.在不同的 VGS 和溫度下比較 Rds(ON)（PN：NTH4L045N065SC1）

安森美是可提供從襯底到模塊的端到端 SiC 供應商之一（圖15）。憑借端到端垂直整合供應鏈和我們 SiC 技術的出色效率，我們為客戶提供所需的供應保證，以支持未來快速增長的市場。

安森美 SiC 產品：從襯底到係統

圖 15. 安森美提供從襯底到模塊的端到端 SiC 技術

安森美助力客戶加速太陽能逆變器係統設計

與許多應用一樣，優化戶用太陽能係統的方法並沒有單一的最佳方案。了解不同方法和技術的優勢並做出權衡並非易事。理想情況下，OEM 需xu要yao一yi個ge擁yong有you廣guang泛fan選xuan項xiang組zu合he並bing結jie合he實shi際ji行xing業ye專zhuan業ye知zhi識shi的de合he作zuo夥huo伴ban，以yi幫bang助zhu確que定ding特te定ding應ying用yong的de最zui佳jia解jie決jue方fang案an。安an森sen美mei擁yong有you廣guang泛fan的de產chan品pin組zu合he，可ke大da幅fu簡jian化hua太tai陽yang能neng係xi統tong的de器qi件jian選xuan擇ze。

安森美提供完整的解決方案，如 SECO-HVDCDC1362-40 W-GEVB 參考設計，適用於 40 W SiC 高壓輔助電源。參考設計提供了快速啟動產品開發和加快產品上市所需的各種設計文檔（即用戶手冊、物料清單
、Gerber 文件等）。可以通過安森美網站和安森美代理商獲取這些參考設計。

SPICE 模型也可以提供給係統設計人員，以進行更高級的評估和開發。Spice 模型有助於研究電路、模塊和管芯層麵的反向恢複行為和寄生效應。這些模型還支持熱仿真和自發熱效應的探索。欲了解更多詳情，請訪問太陽能解決方案。

圖 16.太陽能逆變器係統框圖

太陽能發電和儲能是減少碳排放和為我們的日常生活構建可持續能源的重要技術。為了在這個不斷增長的市場中取得成功
，OEM 需要靈活的解決方案來提高能源質量、效率和可靠性，同時降低安裝和運營成本。有了像安森美這樣值得信賴的合作夥伴，OEM 可以確保所用的太陽能產品將以盡可能低的成本提供滿足客戶需求所需的能效

、可靠性和耐用性。

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