以创新半导体技术迎接可再生能源市场的爆发

可再生能源近年来已日益成为全球关注的焦点，但由于成本、效率、可靠性等多方面的因素，一直制约着可再生能源应用的普及。可这丝毫不能减退各国政府对于可再生能源的热情，尤其在日本3.11大地震引发核危机之后，人们更深刻的认识到大力发展太阳能、风能、生物能等安全、绿色的可再生能源的迫切性。作为高科技产品的技术基础，半导体产业在其中一直扮演重要的角色，在可再生能源领域亦是如此。

提升太阳能转换效率

太阳能光伏是可再生能源中最具优势的一种方案：转换环节少、资源蕴含量丰富、土地占用面积小……但设备转换费用以及转换效率仍是当今太阳能光伏面临的两大挑战。由于太阳能光伏板的成本占整个光伏系统成本的70%以上，太阳能光伏板供货商不断致力提高太阳能光伏板的效率。太阳能光伏板上的阴影变化、污垢和光伏板老化等因素，都会对各个光伏板的电压构成影响，从而引起串联光伏板的输出电压发生变化。例如，光伏系统表面只要有大约10%的阴影，就可能导致不成比例地50%以上的电能损失。

针对光伏阴影问题，美国国家半导体(国半)的SolarMagic电源优化器尤为引人注目。它可监察并优化每块电池板的发电量，并改善电池板中的电流流向。传统的方法是使用微型逆变器，即在每块电池板上都加装逆变器，功能比中央逆变器优胜。简单而言，它无需配置太阳能光伏板串联，就可以在每块光伏板上取得最佳功率点，减少阴影问题。可是，除了效率之外，影响光伏系统的关键因素还有可靠性和成本。微型逆变器并不能全面地平衡这几个关键因素。逆变器在现行的光伏系统中是可靠性最低的组件，它们一般只能使用5到10年，而电池板则可保证使用25年。

国半亚太区核心市场业务发展总监张耀强表示，通过采用SolarMagic技术，太阳能发电系统可挽回50%以上因输电失配或阴影遮蔽而损失的发电量。微型优化器将智能地管理每块电池板，让它们可以最佳的功率点去运行，即使串联电池组内有个别电池板发生故障也不会影响系统的整体效率。继第二代产品SM3320之后，目前国半正准备推出基于SolarMagic技术的第三代产品。

国际整流器公司(IR)亚太区销售副总裁潘大伟表示，由于逆变器持续的达到效率的极限，因此挑战也接踵而至。以AC太阳能变换器器为例，由于采用了非优化型电源器件，因此除了较高的开关和通态损耗外，还面临着重量、成本问题。IR的600V系列绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为不间断电源(UPS)降低了30%的功耗，太阳能逆变器应用达到3kW。新款的专用型器件采用IR的最新一代场截止技术以降低通态和开关损耗，并且优化用于具有低短路要求的20kHz的转换，可以实现UPS和太阳能逆变应用中更高的效率功率转换。

太阳能电池是与生俱来的低效率器件，不过这类电池确实有最大输出功率点，因此在这一点上工作是显然的设计目标。问题是，最大输出功率的 I-V 特性随着光照条件的变化而改变。单晶太阳能电池的输出电流与光强成正比，而其在最大功率输出点上的电压则相对恒定。就给定光强而言，最大功率输出出现在每条曲线的弯曲处，在这里电池从恒定电压器件转变为恒定电流器件，参见图1。

图1：单节光伏电池的典型最大功率点控制点

cell current：电池电流

maximum power point：最大功率点

cell voltage：电池电压

cell performance：电池性能

因此，一个充电器设计要能从太阳能电池板高效率抽取能量，那么当光照强度不能满足充电器的全部功率需求时，必须能控制电池板的输出电压，以将其引导到最大功率点上。“这就是凌力尔特（Linear）开发出面向太阳能供电应用2A电池充电器LT3652的原因。”凌力尔特公司电源产品部产品市场总监Tony Armstrong指出。该器件采用了一个输入电压调节环路，如果输入电压降至低于设定值(由一个简单的分压器网络设定)，那么该环路就降低充电电流。当由太阳能电池板供电时，输入电压调节环路用于保持电池板接近峰值输出状态。

凌力尔特还推出了专门用于可再生能源应用的LTC4070电池充电器。该器件是一款易于使用和纤巧的并联电池充电器IC，用于锂离子/聚合物电池。通过串联几个LTC4070，可以给多节电池组成的电池组充电，并实现电池电量的平衡。该器件的功能使其非常适用于功率较低的连续和间歇充电电源应用，包括锂离子/聚合物电池备份、薄膜电池、币形电池、存储器备份、具备份的太阳能供电系统、嵌入式汽车应用以及能量收集应用。

[p]

能源采集方案

除了在提高能量转换效率方面的技术创新外，可再生能源也为能量收集器件创造了机会。我们周围存在大量环境能源，传统的能量收集方法一直利用太阳能电池板和风力发电机收集能量。不过，新的收集工具使我们能用种类繁多的环境能源产生电能。例如，热电发生器将热能转换成电能，压电组件转换机械振动能，光伏组件转换太阳光(或任何光源)的光能，通过化学作用产生电流的组件转换潮气产生的能量。这使向远程传感器供电或给电容器、薄膜电池等存储器件充电成为可能，从而可向远程微处理器或发送器供电，而无需当地电源。凌力尔特就有一系列相关的能量收集产品，例如，自动极性热能收集器LTC3109，；压电能收集器LTC3588以及20mV热能收集器LTC3108。

为了实现太阳能电池高能效的能量提取，恩智浦半导体(NXP Semiconductors)也推出了一款专门执行最大功率点追踪(MPPT)功能的低功耗集成电路MPT612，有效优化太阳能应用的电力提取效率。恩智浦半导体大中华区市场总监金宇杰指出，以电池充电为例，当MPT612在运行恩智浦即将获得专利的MPPT算法时，它能帮助系统从一块太阳能面板提取的能量比传统的控制器要高出30％以上。

图2：NXP的最大功率点追踪IC(MPT612)原理框图

MPT612解决方案采用低功耗、32位ARM7TDMI-S处理器，支持包括I2C、UART、SPI和SSP在内的多个串行接口。MPT612具有光伏应用中所需的硬件功能，包括电压和电流测量，面板参数配置，并能够发送输出信号来控制外部开关。除太阳能光伏电池和和燃料电池的直流（DC）充电控制器之外，MPT612还可应用于分布式DC-DC 转换器用来提高太阳能电池板能量提取效率以及分布式微逆变器。

功率驱动: MOSFET/IGBT

无论是太阳能还是风能，都需要通过功率变换才能接入电网或对用电器供电。功率变换中根据不同功率会采用IGBT，MOSFET和高速二极管作为功率变换的主要器件。针对光伏市场，飞兆半导体拥有高电压超结MOSFET、中电压MOSFET、场截止IGBT、功率整流器，以及SPM组件等一系列产品。“为了满足高输入电压以获得更高效率的需求，必须使用650V或以上的MOSFET/IGBT。此外还需要使用SiC SBD作为套件解决方案。另外，要扩大10kW以上的市占率，就必须使用IGBT或SPM模块。”飞兆半导体高级副总裁金台勋指出。对于15kW以下的太阳能逆变器，飞兆半导体主推场截止IGBT 和超结MOSFET分立式解决方案。目前的市场以性能为主导，这些器件具有更低的传导损耗与开关损耗，及高可靠性等优点。而在600V FS IGBT和600V SuperFET1/SupreMOS方面，飞兆目前提供种类广泛的产品线。除此之外，下一代产品如SuperFET2和场截止沟槽式IGBT也会在2011年内相继推出。

相对于太阳能，风电系统需要更大的功率以提高资源利用率，这就需要更大电流、更高电压的功率半导体器件。英飞凌科技(中国)有限公司家电及工业功率器件市场经理陈子颖表示，“英飞凌在风电变流器领域拥有各种解决方案，如大电流模块IHM，其最大电流可达3600A，电压达1700V；采用EconoPack 3和EconoDUAL 3封装的IGBT4产品。采用PrimePack封装的模块则成为风电变流器市场的新宠。”这些新技术的应用会使得风电变流器的可靠性,寿命会提高, 成本也会降低。

IR提供的1200V超快速trench IGBT，专为高频应用及600Vtrench IGBT而设计，后者已经成为高频逆变器应用中的业界标准。通过采用晶片技术，IR的1200V IGBT在其正常的额定电压下，可以达到1.7V的典型压降(Vceon)，并且典型的下降时间少于100nesc。同时，它们还展现出Vceon的温度系数，可以允许进行简易的并联。超薄晶片技术的另外一个优势在于降低了结到外壳的热阻(Rth_(j-c))，并且在IGBT的瞬态热响应方面取得提升。四种芯片尺寸的额定电流分别是20A、30A、40A和50A及采用通用的无铅型封装。同时，可以给电源模块设计者以晶片形式提供IGBT芯片。

另一个值得关注的领域是可再生能源在汽车电子方面的应用。目前电动车电池的续航能力是业界所面临的一大挑战。“目前主要有两种方式来提高电动汽车的电池效率，一种是主动式电池均衡技术，另一种是被动式均衡技术。目前业界主要采用的是被动均衡。”张耀强表示。被动均衡的缺点就在于只能在充电时进行均衡，不能在放电时均衡也不能在电池间均衡，而主动均衡则在充、放电时都可以进行电池均衡。“目前，国半已经推出了基于被动均衡技术的产品。”张耀强指出。

新能源汽车的马达驱动有别于一般的通用变频器，它的工作气候环境比较恶劣，负载大小随着启动，加速，减速而不断变化，这对模块的寿命和可靠性有很大影响。需要采用高可靠性的模块工艺，以提高芯片的功率端子之间联接线及衬底与基板承受热疲劳的能力，“我们第四代IGBT功率周次提高了四倍，PrimePACK和EconoDual等模块温度周次比工业级大电流模块IHM提高了四到五倍。”陈子颖表示。

据IR 亚太区销售副总裁潘大伟介绍，IR提供了五条产品线，使各公司在这里可以找到今天标准型汽车以及未来的电动型或混合动力型汽车(EV、HEV)的各种电源管理应用。IR提供两条主要的电源开关产品线(MOSFET和IGBT)，含盖了低、中、高压的功率器件，涉及到传统的12V汽车和24V卡车电源，以至采用600V-1200V的高压HEV应用。IR同样还具有适用于智能电源开关(IPS)的产品线，带有适用于汽车和卡车的集成型保护和智能系统。我们提供了达75V的高电流模块IC以及能够驱动高达1200V，如用于动力系的电机驱动器)电源转换的高压混合信号IC。IR产品全部来自于专有的、内部开发的Si工艺，并结合IR非常先进的专有封装技术，例如无引线和100%无铅汽车DirectFET2功率MOSFET产品线。

本文小结

中国在发展可再生能源方面处于全球领先地位，其太阳能(太阳能面板)和风能设备的产出占据世界总量的35%，但目前中国本土市场的应用则还有很大的挖掘空间。发展可再生能源技术是中国下一个"五年计划"中的重要一笔，这可能为未来五年的全球市场设定了基调，而日本的核危机更是让业界的目光再度集中在可再生能源这一市场。

本文来自硬件和射频网2011年6月电源增刊，拒绝转载。