光伏增长势头强劲,芯片灵活性及可靠性要求提升

25 08月 2023

2023-08-25 16:23

近年来，光伏市场进入了一个新的增长维度。SolarPower Europe数据显示，2022年全球光伏新增装机量达239GW，占所有可再生能源新增容量的三分之二。国家能源局也宣称，2022年我国工商业光伏新增装机达25.87GW，同比增长236.7％；2023年一季度工商业光伏新增装机9.21GW，刷新了年度记录。据悉，从新增装机量可以看出，目前中国是光伏装机最大增量市场。

国际能源署（IEA）也有类似的预测：2023年光伏投资将首次超过石油投资，不过，尽管光伏在持续增长，光伏仍只占全球发电量的4.5％，其强劲增长将持续到2023年及以后。

在细分市场，近年来屋顶光伏市场出现了明显繁荣。2022年，中国增加了51.1GW屋顶光伏，占新增总量的54％，较2021年增长29GW。

事实上，半导体技术的创新一直在助力深挖光伏应用的巨大潜力。除了单晶硅和多晶硅材料外，在光储一体化设计方面，碳化硅（SiC）等宽禁带器件和驱动类产品正在推进功率密度不断提升，系统成本进一步降低，同时实现更多的功能。

技术迭代助推光伏度电成本持续降低。从发展趋势来看，光伏系统的进展呈现出五大特点：

1）采用大尺寸、高效率光伏组件，如182／210mm大尺寸硅片；材料方面使用TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）、HJT（异质结）、钙钛矿等电池结构，将光能转换效率从目前主流光伏电池的24.5％提高到28.7％-40％以上。

2）采用更大功率、更高功率密度的光伏逆变器，如300kW＋组串式逆变器，以及4MW＋集中／集散式逆变器，以实现最高的功率密度，使用户利益最大化。

3）采用更大容量、更高容配比的组网方阵，如1.2～1.8倍高容配比的4MW＋、6MW＋、12MW＋，减少直流电缆、支架及基础、汇流箱用量，简化安装工程，为电站投资者带来更低造价成本和更高系统收益。

4）光伏发电与信息技术的完美融合，采用物联网（IoT）、人工智能（AI）、大数据等技术的信息化“智能光伏”电站，利用智慧大脑实现对光伏电站的集中运营和运维管理。

5）光储融合：目前逆变系统与储能系统已开始智能化深度融合，而光储一体化设计有助于进一步降低系统成本，使运行更稳定，调度响应更精准。利用高比例新能源接入实现直流侧光储一体化、交流侧独立储能，从而支持稳定并网，让光伏发电从适应电网走向支撑电网，加速光伏成为主力能源。

纳芯微光储解决方案为可靠性保驾护航

作为一家高性能、高可靠性模拟及混合信号芯片公司，纳芯微将光伏作为其能源与电源业务的一个重要领域，解决方案覆盖光伏逆变器、储能变流器、光伏阵列／优化器和储能电池／BMS。日前，纳芯微已经与光伏行业的头部客户紧密合作，提供可靠的产品及服务。

图：纳芯微光储系统解决方案总览

纳芯微的产品覆盖广泛，包括：SiC功率半导体、隔离／非隔离驱动芯片、隔离电流／电压采样芯片、霍尔电流传感器、数字隔离器、隔离接口芯片、通用Buck／LDO／电源监控IC、通用运算放大器、高精度电压基准源、温湿度传感器／压力传感器等。

一、纳芯微的SiC＋驱动类产品组合

1）第三代半导体SiC器件，有效提高系统效率

SiC功率器件具有高耐压、高速开关、低导通电压和高效率等特性，有助于降低能耗并缩小系统尺寸。特别是在光伏、储能、充电桩等高压大功率应用中，碳化硅材料的优势得以更加凸显，光伏头部厂商已经开始在储能及组串MPPT（最大功率点跟踪）应用中采用第三代半导体器件。目前，SiC二极管在光伏行业也已经得到了成熟的应用。

为此，纳芯微推出了1200V系列SiC二极管产品。这些器件在单相或三相PFC、隔离或非隔离型DC-DC电路中均能表现出卓越的效率特性，完美满足中高压系统需求。如果将纳芯微的SiC产品和驱动类产品搭配使用，可以更好地满足客户系统个性化的需求。

2）光耦兼容的隔离驱动，更强抗干扰能力，确保系统稳定运行

光伏领域对可靠性有着极高的要求，产品寿命要求长达20年甚至更长，然而使用传统的光耦技术已经无法满足这一需求。纳芯微的单通道隔离驱动NSI6801能够很好地应对这一挑战，该系列产品也是目前纳芯微在光伏市场应用最广泛、出货量最大的驱动产品。NSI6801采用双电容增强隔离技术，兼容光耦输入，提供更强的隔离性能，CMTI大于150kV／us，有效提高了产品的抗干扰能力，使用寿命更长，使用温度范围更宽，开关频率更快，能够更好地适配SiC器件，稳定可靠运行。

3）具备多种保护功能的驱动芯片，满足大功率模块的严格要求

此外，在大功率应用中，不再只采用单颗功率器件，而是更倾向于采用功率模块。这些大功率模块对可靠性要求更加严格，因为驱动IC的失效会对整个系统造成影响。为满足这一挑战，纳芯微能够提供多种具备保护功能的驱动IC，如退饱和保护（Desat）、主动短路保护（ASC）、米勒钳位功能，产品包括单管隔离驱动NSI6601M、NSI6801M、NSI68515、NSI6611等。

4）更多隔离／非隔离驱动供选择，满足系统设计新需求

此外，新一代微型逆变器也逐渐开始采用两级式结构，与传统的单级结构相比，这种新结构能够减小解耦电容，并具备无功补偿能力。在这种两级结构中，前级的最大功率点跟踪（MPPT）通常采用全桥拓扑，因此可以采用纳芯微的非隔离半桥驱动器NSD1224，该产品具备更强的输入引脚和桥臂中点的耐负压能力，可提高驱动的可靠性；而后级的全桥逆变部分，则可以采用纳芯微新一代隔离半桥驱动NSI6602V，具备更大的驱动电流、更高的输入耐压和更强的抗干扰能力，使用寿命也更加持久。同时，在一些新的设计中，氮化镓器件被用于提高功率密度和系统效率，这时纳芯微的氮化镓专用驱动芯片NSD2621可以充分发挥氮化镓器件的性能。

二、纳芯微的磁电流传感器产品

在传统的光伏逆变器中有很多霍尔电流传感器模块，主要作用是输入／输出电流检测。纳芯微的霍尔电流传感器比霍尔电流传感器模块体积更小，可减少50％以上的占板面积，高度也更低。NSM201x宽体封装系列可持续通流超过30A，引脚更厚的封装（包括NSM2019和NSM2111等）的输入侧导通阻抗更小（NSM2019只有0.27毫欧），可持续通流高达100A，具备光伏逆变器输入所需的高达20kA的浪涌电流抵抗能力。

事实上，传统集成式霍尔电流传感器无法满足这么高的浪涌电流要求，NSM201x薄体封装也只能支持13kA的浪涌电流抵抗能力，因此较多被用在MPPT侧。而光伏PV侧的电流检测还是使用霍尔电流传感器模块，纳芯微的NSM2019可以替代PV侧的霍尔电流传感器模块，满足浪涌要求，通流能力强，没有可靠性问题。在光伏逆变器AC侧通常使用闭环电流传感器模块，以满足高精度、高通流能力的要求。NSM2019能满足该要求，精度高达正负2％，可持续通流高达100A。

三、纳芯微其他品类的产品

随着光伏组件功率密度的不断提升，母线电压已提高至1500V，因此需要更大的爬电距离，纳芯微超宽体数字隔离器NSI824x能够提供长达15mm的爬电距离，同时还具备优异的EMC性能，非常适用于光伏系统的应用。同时，光伏组件尺寸也在不断增加，单光伏板能够提供的功率越来越大，因此市面上涌现出更多的微型逆变器，纳芯微的非隔离／隔离半桥驱动，如NSI1624、NSI1224、NSI6602V，能够更好地满足大功率微逆的需求。

此外，随着光伏和储能技术的融合，家庭储能系统的数量不断增加，电池储能容量也在逐渐增加。这为DC-DC转换器提供了更多的机会。纳芯微的半桥驱动器NSI6602V以及CAN接口产品（如NSI1050、NCA1042）在这一趋势下将发挥更加重要的作用。这些产品将能够有效应对不断增长的光储系统需求，为系统集成带来更多的灵活性和可靠性。