作者：Damijan Zupancic
英飞凌电源与传感系统事业部 应用市场经理
校对：徐斌
英飞凌电源与传感系统事业部 应用管理经理
欧盟提出力争在2030年前将碳排放水平降低62%。也就是说，要在7年时间内实现这一目标。显然，全球朝着可再生能源迈进已成必然趋势，全世界都在探索如何利用可再生能源来满足能源需求，同时降低碳排放。就可再生能源和储能系统而言，有许多幕后功臣在为生产可再生能源默默付出。
在今天的博文中，我们会进一步深入探讨——随着时代的发展，高效功率晶体管技术对组串式光伏逆变器的影响。在电力储能系统中，光伏逆变器是进行电流转换必不可缺的组件。
首先，来谈一谈组串式光伏逆变器及其功能。组串式光伏逆变器是将太阳光转化为可用电力的无名英雄。它们进行电流转换，以使电流兼容设备和电网。在使电流与电网同步的同时，它们必须最大限度地提高功率输出，以确保太阳能系统高效运行。
随着时代的发展，组串式光伏逆变器已取得了显著进步，主要通过利用更高效的功率晶体管，减轻了重量，缩小了尺寸。这些技术进步在太阳能行业掀起了变革，提高了装机便捷性和成本效益。通过采用更高效的功率晶体管，制造商已经能够设计出占用更少空间的紧凑型逆变器，可以很容易地将之集成到家用和商用太阳能系统中。
这些精简型逆变器不仅简化了安装过程，而且通过提高电流转换效率提升了系统整体性能。随着功率晶体管技术不断发展，组串式光伏逆变器变得越来越轻便、越来越小巧的趋势将继续保持下去，促进广泛采用太阳能发电作为清洁的可持续电力来源。
不同时期的组串式光伏逆变器采用的功率晶体管
从时间轴上看，早在2005年，我们的H5逆变器就采用IGBT模块，实现了5kW单相和0.5W/in³功率密度。这种功率晶体管也具备主动冷却功能。接下来，我们在2015年推出了5L逆变器，它基于150V OptiMOS™ Si FET 5kW单相，功率密度为3.3 W/in³。不同的是，这些功率晶体管实现了被动冷却。自2020年起，我们提供了6kW单相Heric逆变器，功率密度为4.7W/in³，具备被动冷却功能，如CoolMOS™产品系列。功率晶体管的未来无疑是光明的，因此，我们预计到2025年，采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料的宽禁带（WBG）技术将如日中天。英飞凌提供的WBG功率晶体管系列包括CoolSiC™和CoolGaN™等。
图1. 英飞凌功率晶体管系列
宽禁带（WBG）电力电子行业的痛点包括，在竞争激烈的市场中物料成本颇高、供应局限和需要第二货源。相比于通孔器件（THD），使用表面贴装器件（SMD）降低了劳动力成本。在可靠性和降噪方面，无风扇设计趋势明显。更小巧、更紧凑的WBG设计支持一个人轻松完成安装，降低了安装成本。应对这些挑战可以促进更广泛地采用WBG技术。此外，宽禁带技术通过顶部散热优化了热管理，提高了功率晶体管的性能。
图 2. 功率晶体管演化史
在电力电子系统中，降低杂散电感对于实现更高开关频率和提高效率起着至关重要的作用。较之传统的THD封装或功率模块，SMD封装可以大幅降低杂散电感。得益于此，功率晶体管能够在更高开关频率下工作。随着新的宽禁带（WBG）技术的兴起，现在可以在提高开关频率的同时，有效地控制开关损耗，满足当今严格的效率标准。支持更高工作频率，有利于缩小电感器和电容器尺寸。此外，通过实现具备更低功率损耗的新型晶体管，降低了散热要求，减轻了对大量散热的依赖。这些进步最终带来了更紧凑的设计和更低物料成本（BoM），从而提高了电力电子系统的效率和成本效益。
总之，高效功率晶体管的发展对组串式光伏逆变器产生了重大影响，这是值得深思的现象。这些技术进步造就了更小巧、更轻便并且具备更出色性能的逆变器。最让人赞叹的是，这些创新解决了诸如高成本、供应局限和安装困难等常见挑战，推动了可再生能源的普及和可持续发展。能够见证功率晶体管技术的不断进步及其对更清洁的未来做出的贡献，我感到无比振奋。
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