光伏逆变器市场“因水涨而船高”

全球正掀起太阳能发电的新浪潮，而逆变器在太阳能发电系统中具有举足轻重的作用，其性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，降低成本至关重要。业内预测，传统太阳能逆变器市场将在未来获得长足的发展，而新兴的微逆变器和转换器市场也将迎来强劲的增长。半导体厂商在此寻求到了另一片“成长的天空”。 “随着光伏系统中所使用的光伏电池板及其他组件的成本持续下降，太阳能光伏在成本方面的竞争力将越来越强，因此对逆变器等半导体器件的需求将大幅增加。”德州仪器半导体事业部C2000业务拓展经理陈思儒描述了逆变器半导体市场的水涨船高。

　　逆变器市场走高

由于功率的要求不一，大型光伏发电的发电功率较大，从几百千瓦到几个兆瓦，逆变器主要是三相逆变桥。而家用型太阳能发电市场的功率为几百瓦到几千瓦功率级别，一般则需要单相逆变器。此外，为了太阳能发电站的光伏阵列能够持续输出电力，并提供最优化的转换效率，每一块光伏电池板配备独立的逆变器系统即微逆变器的需求近年也在走高。

据IMSResearch公布的报告显示，2010年逆变器的出货量超过20GW，这是一个惊人的数字。而逆变器的后劲也在强力“释放”。根据市场调研机构最新报告显示，预计到2014年，全球太阳能逆变器的出货量可望超过2330万台，与2010年的260万台出货规模相较，可望扩大至9倍之多。此外，太阳能逆变器的销售额到2014年将冲至近90亿美元。不过，需要注意的是尽管太阳能应用需求不断上升，但全球太阳能逆变器每瓦的平均价格已经下降了13.5%，逆变器供应商在持续不断地提高产能的同时，要着重考虑逆变器的成本以及整体效率的问题。

而微逆变器市场形势也十分乐观。据IMS Research最新公布的一项报告显示，该市场将在未来5年内赢利15亿美元，同时，设备出货量将以每年100%的速度增长，累计总量将达1600逾万套。据该公司预测，民用市场将成为主力市场，民用及小型商业安装设备将占到总出货量的80%。

　　功率器件至关重要

除了质量和稳定性在逆变器产业扮演着非常重要的角色之外，实现最小损耗和最高效率是逆变器供应商孜孜以求的终极目标，智能控制芯片和功率器件“担当重任”。目前，逆变器智能控制芯片供应商包括TI、飞思卡尔、NSC、Microchip和英飞凌等，功率器件供应商包括英飞凌、ST、飞兆、IR、NS、东芝、Vishay和Mitsubishi等。

“IC厂商提供的解决方案对于太阳能转换的效率有着很大影响。比如，集成有高精度脉宽调制(PWM)和高速、高精度片上ADC的32位微处理器可支持高脉宽调制转换频率，快速而准确地关合电压与电流环，执行高级控制算法,例如非线性控制和更为复杂的最大功率追踪器(MPPT)算法，上述算法对太阳能逆变器的转换效率十分重要。”陈思儒指出。

目前逆变器会根据不同功率采用IGBT、MOSFET和高速二极管作为功率变换的主要器件，市场要求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。随着高能效的功率变换技术不断引入，新一代的IGBT、超级结MOSFET和碳化硅二极管的使用，使得效率的标杆不断被刷新。一般来说，在逆变器系统设计中，选择IGBT器件的基本准则是提高转换效率、降低系统散热片的尺寸、提高相同电路板上的电流密度。从功率分立器件来看，随着太阳能并网发电站规模的增大，采用1200V IGBT将是未来的发展趋势。针对各种不同规格的逆变器的需求，IGBT模块呈现集成度越来越高的发展趋势。而微逆变器需要监测电流、电压、温度等模拟参数，具有模拟和数字混合信号处理能力的MCU有望找到用武之地。

为实现更高效率这一目标，不仅要对单个器件进行优化，而且还要对这些器件组合在一起发生作用的方式进行优化，比如在设计中应努力减小功率电路的寄生电感，把IGBT驱动得稳定一些、更快一些，这都直接影响着系统效率。

　　仍面临多重挑战

目前传统逆变器效率可以达到97.2%左右，继续提高的效率空间也极其有限，需要创新半导体技术来应对新的挑战。而设计者在设计传统太阳能逆变器时遇到的挑战与设计微型逆变器和转换器时遇到的不同。“对于传统逆变器，因为多个功率转换级和通信的要求，设计者面临的主要挑战更多是控制这些功率转换级和实现所有的通信、系统监测功能所需要的控制器、微处理器和关联电路。解决方案中的关键指标包括CPU速度、片上闪存数量、PWM的数量、ADC精度与速度以及可用的通信端口。”陈思儒表示，“对于微型逆变器和转换器，重要的是既能达到高性能又能保持低成本，这也就是为什么高电压和高功率集成那么重要的原因。”

随着实际应用的愈来愈普遍，太阳能逆变器也开始不断面临诸如并网性能、电磁兼容、保护功能等各类新的技术挑战。“对逆变器并网性能的要求，就是要提高并网效率、减少并网电流谐波、确保输出功率因数和消除直流分量；电磁兼容方面，则是要控制电压波动和闪烁、减少电磁辐射并提高抗扰度。”飞思卡尔MCU部资深产品经理张明峰指出，“而对于逆变器的保护功能要求，即是指电网故障保护(防孤岛检测)、防反放电保护、极性反接保护和过载保护等。”针对这些问题，张明峰认为，基于现有的半导体芯片技术，可以采用高性能的MCU或DSC芯片来进行控制，使用软件锁相技术来同步电网与逆变器的输出，快速和高精度的片内ADC实时检测并网电压和电流，并根据检测结果智能地判断切换条件。此外，切换开关装置可以采用电子开关(晶闸管)或电磁接触开关(继电器或接触器)来实现。

而微逆变器需解决逆变器拓扑，高频软开关、并网电流控制、MPPT技术等多个关键核心技术，智能控制芯片也不断向更高集成度发展。陈思儒表示，技术的发展趋势是将集成了闪存、控制外设和诸如CAN等符合业界标准的通信端口与32位MCU相结合。同时，在微逆变器和转换器领域电源IC和数字控制器的集成技术将有很大发展。因此，32位高速CPU、高精度脉宽调制、高速高精确度片上ADC都是至关重要的因素。