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逆變器架構發展 效率才是王道
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由於陰影效應造成整體系統電力轉換效率低落,微逆變器與微轉換器因而誕生,從系統架構、建置成本與電路設計來看,每種架構各有其發展的空間,短期來看,太陽能系統架構的發展,仍然呈現撲朔迷離的狀況。
微逆變器(Micro Inverter)與微轉換器(Micro Converter)的誕生,起因在於搭載中央逆變器的面板模組,容易受到陰影因素影響,造成整體發電效率過低,以至於發電量不如預期,無法達到政府在電費補貼上的要求。

在談論微逆變器與微轉換器之前,必須先簡單談談傳統的中央逆變器系統的主要概念。就目前現階段的發電技術上,現行已投入市場應用的,大多階為結晶矽技術,採用結晶矽技術的面板模組,所產生的電力為DC(直流電),這類電力無法導入以AC(交流電)進行傳輸的輸配電網,因此必須再採取DC-AC的方式,將電力輸導到電網中。但太陽能發電的挑戰之一,除了光電技術的轉換效率不彰外,另一方面,在整體系統中,部份的太陽能面板也會受到烏雲、灰塵、落葉與鳥糞等外在環境因素的干擾,造成陰影效應,使得系統整體的發電效率更為低落。

克服陰影問題 「微」概念當道
德州儀器亞太區市場開發經理陳俊宏(圖1)表示,從整體系統的建置上,搭載傳統的中央逆變器系統無法克服陰影效應現象,故微逆變器的概念,便是從每塊發電面板的背後,搭載小型的微逆變器系統,採用MPPT(Maximum Power Point Tracking;最大功率點追蹤)技術,動態擷取每塊太陽能所能發出的最大電量,摒除中央逆變器這類大型系統,直接將電力轉成AC並輸入電網,採用這種系統設計方式,來克服陰影效應所造成的整體發電效率的問題。

但陳俊宏也指出,由於微逆變器畢竟設計難度較高,其系統涵括了DC-AC的電路設計,加上亦有電容壽命的問題要克服,因此在考量到系統壽命動輒需要15年以上的需求的前提下,微逆變器能否滿足長時間的使用,便成了一大問號,於是微轉換器的系統架構成了另外一個大家所思考的方向,其成長力道也不在微逆變器之下(圖2)。

微轉換器的架構,仍然不脫DC-AC的設計範疇,只是將微逆變器中,DC-AC的工作,交由中央逆變器來負責,這種系統設計的好處在於,DC-AC的設計本就有較高的設計門檻,統一交由中央逆變器來負責,可將問題交給中央逆變器來解決,微轉換器所負擔的工作就相對單純許多。陳俊宏認為,微轉換器的系統設計,較符合傳統中央逆變器業者的思維,二來在面板系統端,只具有DC-DC解決方案的半導體業者,也能較容易進入此一市場。傳統的中央逆變器系統業者也能專注在DC-AC的設計,可達專業分工之效(圖3)。

恩智浦半導體大中華區微控制器產品線及應用市場行銷總監金宇傑也頗為認同陳俊宏的看法,他表示,單就系統設計的角度來看,微逆變器的設計難度的確較為複雜,先易而後難,會是進入該市場的常見作法,即便是恩智浦本身,在太陽能發電系統的角色扮演上,也會先從微轉換器市場切入,累積足夠的經驗後,再往微逆變器領域移動。

「微」系統架構發展 半導體業者看法略異
不過,針對微轉換器,也有業者有較為不同的看法,意法半導體(ST)大中華暨南亞區工業應用技術中心經理王建田(圖4)認為,微轉換器的存在的確幫傳統逆變器業者爭取到其生存的空間,但事實上,DC-DC電路設計在傳統中央逆變器上的成本,佔了三分之一強,雖然成本大幅降低,但某種程度上,卻也犧牲了一定程度的獲利空間。傳統的中央逆變器業者是否會將主導權交出,這一點仍然要長期觀察。

英飛凌科技資深行銷經理陳雪蕙(圖5)則就觀察微逆變器的市場變化,提出其看法,她認為,微逆變器是一種新型態的解決方案,故就成長率上,在這一兩年來呈現倍數成長,預計2012年亦會50到60%的成長表現。一方面歐洲扮演強大的市場推動角色。其次,美國加州對於微逆變器架構的接受度不低,就她了解,有約20%左右的市場份額。當然,中央逆變器畢竟是較為傳統的系統架構,若從成長率來觀察,也的確有趨緩的現象。

英飛凌科技工業與多元電子事業務協理田經曾(圖6)則是認為,由於英飛凌同時具備中央逆變器與微逆變器的解決方案,因此探討「微」與「中央」系統架構之間的發展概況,英飛凌目前仍在觀察中,尚無法說明何種架構會在未來成為主流方向。但他坦言,從發電規模來看,電廠級的發電系統仍然會有中央逆變器的生存空間,個人住戶或是大樓建築則會適用於微逆變器架構,至於微轉換器則會偏重兩者之間,會以社區或區域型用電為主。

而王建田也呼應了田經曾的看法,目前不論是微逆變器或是微轉換器,兩者皆處在起步階段,大家也的確在觀察未來的局勢變化,目前沒有明確的數據可以佐證微逆變器與微轉換器兩種架構在全球太陽能發電市場所佔的市場份額,唯一可以確定的是比例相當的低。但他坦言,若要讓這兩種架構快速普及,優異的性價比表現,將會是重要的關鍵之一。

政策不同 帶動不同的設計需求
微逆變器與微轉換器的誕生,肇因於中央逆變器的陰影效應的問題無法克服,兩種「微」概念系統架構相較,各有差異。若從政府補助的角度切入,由於各國政策法規的不同,也牽動著大型電廠與個人住家太陽能光電系統安裝的意願高低,因應應用環境而生不同架構的發電系統,也就直接滿足了不同政策面的系統需求。
陳俊宏便表示,政府的補助案方向,大致上會從發電量的出發來決定給予多少的補助金額,但由於太陽能發電於資本與技術密集的產業,在發展初期,其發電規模大多是屬於電廠等級,個人與大樓建築則相對少見,但隨著時間演進,各國政府便有可能將補助對象轉至個人住戶,而不再獨厚電廠企業,此時適用個人住戶的發電系統就有機會大展身手。對此,諸多半導體業者的看法,幾乎趨於一致,微逆變器的系統設計,適用於住戶型用電設計,在此一領域,會有較大的發揮空間。

英飛凌科技主任工程師郭代原認為,微逆變器的另一個好處在於,由於所輸出的電力為AC,因此在整體系統的電線布建上相對容易,而且安裝成本也比中央逆變器來得低,若是採用微轉換器,輸出電力為DC的情況下,拉線較為不易,在建置成本上就相對來得高。

微逆變器電路設計 困難相對較高
王建田認為微型架構已是大勢所趨,就目前來看,要克服的問題,除了需要具備優異的MPPT演算法外,優異的離散元件與電路設計也會是一大難題,仍然有一定的進入門檻,要同時具備豐富的類比電路設計與數位運算的半導體業者才有機會在此一領域取得一席之地。
 
1. 電容問題獲解決微逆變器設計挑戰解套
但如前面所談到的,微逆變器在電路設計上也面臨了電容壽命不足的問題,郭代原認為,既然市場上已有微逆變器系統的出貨,那就表示電容壽命的問題已獲得一定程度的解決。陳雪蕙則是補充說明指出,就她觀察,傳統的電解電容由於電解液會因系統運作而慢慢減少的關係,因而元件壽命較短,故若採用此種元件進行微逆變器設計,自然也就有壽命的問題需要克服。但她也指出,由於材料屬性的不同,電容壽命與與物理特性也會有所差異,由於技術不斷演進,目前的塑膠電容在價格上雖然略高於傳統的電解電容,但已可足應付微逆變器的系統需求。
 
2. MOSFET頻率高週邊元件體積縮小
而在MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)方面,也扮演了系統設計相當重要的角色。陳雪蕙表示,MOSFET相較於IGBT(絕緣柵雙極電晶體)擁有切換頻率較高的特性,雖然不適用在大功率或是高壓應用的範疇,但在小功率或低壓領域,卻也有不可或缺的重要性(圖7)。

美商國際整流器公司策略市場及應用工程總監Hemal Shah(圖8)表示,所有的太陽能微型逆變器的核心都在於多次功率轉換DC-DC和DC-AC。這些均要求具有高轉換效率,將電池板的能量損耗壓至最低。這不僅需要高效且高速的控制回路,還需要高效的功率開關。散熱管理是另一個重點,採用業內領先的散熱封裝(如DirectFET)讓微型逆變器製造商能夠將傳遞到逆變器外熱量提升至最大。並且,這些封裝具有較低的雜散電感,降低了開關損耗,實現了更高的操作頻率,進而縮小了被動元件的總占位面積。

田經曾也表示,MOSFET的切換頻率高,具有諸多優勢外,由於不同的封裝的緣故,對於電路設計也有會所影響,基於Layout、電路保護與成本等諸多因素之下,提供客戶全方位的建議。

整體來看,觀察逆變器系統的發展,半導體業者們的態度略有不同,但能確定的是「微」型架構的趨勢已然,但是否會對傳統的逆變器系統造成衝擊,仍然有待觀察。另一方面,就系統設計上,考量到系統壽命、作業環境等多元因素,不論是主被動元件,都有其嚴苛的條件。所幸的是,不論是電容或是MOSFET,產業界都不斷在努力突破瓶頸,以提高系統壽命,那麼另一個關鍵,就是扮演系統大腦的MCU(微控制器)了。

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