根据DisplaySearch的研究，目前太阳能产业全球的产能已由2007年的296 MW （百万瓦）提高2009年的1.6 GW （十亿瓦），甚至预计2010年将达到3.0 GW （十亿瓦）。产能的提高也使得太阳能电力系统的建置成本下降，愈来愈多的家庭、企业或公共机构皆开始导入太阳能系统。

在太阳能产业中，更高的转换效率等同于降低成本，预估转换效率每提高0.5%，则成本可以减少约3%，因此无论是单晶、多晶或硅薄膜等技术皆致力于提高转换效率。目前市场上单晶太阳能电池的转换效率约16% ~17%，多晶太阳能电池约15~16%，硅薄膜太阳能电池一般为6 ~7%、堆栈式则可达10%左右。

除了期待电池技术的进步外，要提升太阳能电力系统中的电能供应效率，立即可行的方式其实可以从电力转换控制的角度下手。本文中将介绍前瞻性的最大功率追踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）太阳能转换控制技术，并提出更可靠的旁路二极管控制器技术。

太阳能电力系统架构

太阳能电池（Solar Cell）又称光伏电池（Photovoltaic Cell； PV Cell），它是一种将太阳光转换成小单位电力的光电半导体薄片，它只要一照到光，瞬间就可输出电压及电流。将许多小单位的电力集合起来，就可以供应更大的电力，而将这些太阳能电池一小片、一小片的串接在一起就组成了一片的太阳能板（或称太阳能模块）。

事实上，单一太阳能板可提供的电力还很有限，一般会在向阳的屋顶、墙面或空旷处将多块面板以方阵方式组成太阳能板数组（PV array），以收集更大的电力。太阳能板数组与接线盒（Junction box）、DC-AC逆变器（Inverter）、电表和电气设备等组成了太阳能电力系统，一般又可分为三种类型：

• 1. 独立型系统：可单独供应目前其所需之电力，而不需要与电力公司的配电传输网络作并联的系统。由于在夜间或阴雨天无法由太阳光产生电力，因此独立型系统加入了蓄电池组，在阳光充足时储存适当电力，以提供稳定之电源。独立型系统主要可应用于电力输配线不容易到达或是无法供电的地区，如人口稀少的山区或离岛。





• 2. 混合型系统：即太阳能光电与市电及蓄电池搭配的混合型式。平时由太阳能电力系统发电来供应负载及对蓄电池充电，夜间由电力公司供电，紧急时则由蓄电池供电。





• 3. 并联型系统（Grid-connected System）：在人口密度高的地方，将太阳能电力系统与电力公司的配电传输网络并接。此架构中的太阳能电力系统可视为市电系统上的一个小型发电设备。透过双向电表，太阳能电力不足时，可由市电提供负载；有剩余电力则可送往电力公司。此系统架构请参考(图一)。

《图一 并联型太阳能电力系统架构》

既有PV Inverter的最大功率追踪限制

今日太阳能系统的成本主要来自于太阳能板模块，若想降低建置的成本，就得想办法减少太阳能板的数量，但又不影响供电效率。要达成此诉求就得提高个别太阳能板的效率。太阳能板模块的最大功率定义为Wp（Watts peak），通常称为MPP（Maximum power point）。产生瞬间最大功率的电压及电流随时都会因不同的照射状况及温度而发生改变。因此，为了要从太阳能模块取得最大的功率，它必须运作在最大功率的运作点。

每个的太阳能板都有自己的I-V曲线及P-V曲线特性，因此当照射条件变化时，最大功率运作点就会跟着改变。这时太阳能电力系统必须要有能力追踪找到这个运作点，才能得到最佳的电力效益，如图二。这个工作目前是交给DC-AC逆变器（Inverter）来执行。

《图二 太阳能板的I-V及P-V特性曲线》

一般逆变器中有三个组成单元，即DC-DC转换器、DC-AC转换器及孤岛抑制（anti-islanding）单元，如图三。太阳能板模块得到的电力会先送到DC-DC转换器，它会负责追踪模块的最大功率运作点，即进行最大功率追踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制，并根据面板模块的建置架构和面板的数量，将输入电压稳定地供应用到DC-AC转换器。

《图三 逆变器组成单元结构》

DC-AC逆变器接着将直流电压转换为交流电压的逆变器控制，以供应太阳能电力系统中的电器负载，或将剩余电力传送到到电网系统。孤岛抑制控制器的作用是当有安全理由时，会中断太阳能系统与电网系统的链接。他们的功能也能延伸用来分析电网电压，以保证逆变器能与电网正常的链接工作。

在太阳能电力系统中，用来实现面板模块最佳功率的方式为MPPT，目前常见的架构有两种，一种是集中型逆变器（Centralized Inverter），也就是将所有面板皆接到单一的逆变器来执行MPPT；另一种是多重串行型逆变器（Multi-string Inverter），也就是将每一串行的面板模块接到个别的DC-DC转换器，分别执行MPPT后，再接到DC-AC转换器。

这两种方式都将MPPT功能交由逆变器集中控制，因而需要大量且复杂的控制运算，往往需采用DSP或微控制器来执行。在太阳能板数组的受光条件一致时，此架构可以正常的工作，但当部分太阳能板出现效能不匹配或阴影遮蔽状况时，此架构的电力效率就会大大受到影响。

事实上有许多原因会造成太阳能板数组的不一致性。首先，不同的太阳能板因制造技术（不同厂牌）而存在效能不匹配的条件，或因部分面板老化而与新板效能不匹配；整个数组的部分区域也可能因阴影、积尘或脏东西会影响功率的产生；此外，因不同的受光方位或太阳能板的曲度，都会使得不同面板有不同的热梯度、反照率等。很显然地，个别面板其实随时都有自己的最大功率运作点。

分布式MPPT追踪控制架构

因此，要让整体太阳能系统的效率再提高，最佳的作法之一即是采用分布式的MPPT追踪控制架构。我们提出的作法是将逆变器中的DC/DC转换器及MPPT控制器移到个别的太阳能板当中，针对个别面板进行MPPT追踪控制，进而能从个别面板收集到最大的能量，以让整体太阳能系统能得到最大的效率。集中式与分布式的太阳能系统架构比较，如图四。

《图四 集中式与分布式的太阳能系统架构比较》 - BigPic:799x398

除了提升效率外，此架构还有许多好处。目前逆变器中的DC-DC转换器就占了整个设备约一半的空间，采分布式架构后可省略DC-DC转换器，使逆变器的设计大幅简化，例如可简化DSP、微控制器及辅助电路（如讯号接口I/O、可程序接口等）的设计与工作负担。同时尺寸会缩小一大半，成本自然也能降低许多。

从集中式的逆变器中移出的DC-DC转换器，由于只需针对个别面板进行MPPT追踪控制，因此可以开发成非常小的单芯片解决方案。以ST提出的太阳能升压器（SPV1020）来说，即是一颗将功率开关、模拟及逻辑单元整合在一起的单芯片，能够执行MPPT和升压拓墣的转换功能。高整合度的芯片有助于减少电路板上的组件，让系统出错的机会大幅降低。

采用此转换器可以有效降低电压与电流的涟波现象，进而降低EMI电磁干扰。不仅如此，相较于逆变器，它可使用小型的MLCC非电解电容，可以有更长的使用寿命；它有助于降低寄生电阻，可以得到更高的效率。为了确保兼容性，内建MPPT功能的太阳能板可以与既有的逆变器共享；不过，若要发挥最大的效用，需重新设计逆变器，再对具MPPT的太阳能板进行控制。

在建置策略上，一个太阳能板中要安置几个转换器，这要在成本与效率之间取得平衡。愈多转换器就愈能降低阴影效应的影响，并提升系统的转换效率，不过，这也会增加系统的成本。建议一个面板可先从二至三组电池组的控制开始，最多则可做到六组电池组的控制。在电池组的控制架构上，可以采串联链接或并联链接，也可采串／并联并行的链接架构，如图五。

《图五 可行的太阳能板MPPT控制架构》 - BigPic:799x309

更可靠的接线盒旁路开关技术

除了提升电力效率外，太阳能系统的可靠性也非常重要。其中接线盒为太阳能电力系统中的一个关键组成，它将太阳能电池发出的电力集中后然后再输出，若没有接线盒则太阳能模块将无法适当的运行其发电功能。由于接线盒扮演串接的角色，它的设计上必须相当的牢靠，要经得起二十年以上的长时间使用。

接线盒中至少要有三条旁路二极管（bypass diodes）组成，主要是为了对应阴影遮蔽造成的热点（hot spot）影响。当太阳能板部分区域受到阴影、鸟屎、树叶、灰尘、掉落物遮蔽时，很容易形成部分区域过热的状况，严重时会对太阳能电池造成损害。为了防范热点议题，在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管，旁路二极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值，以进行保护。

这个旁路二极管通常会使用Schottky二极管，但其效能有限。因此新的冷却旁路开关（Cool Bypass Switch）解决方案SPV1001，它可以达到与Schottky二极管相同的功能，而且能降低功耗、提高使用寿命及实现更弹性的设计。此方案的架构特性请参考(图六)。

《图六 Cool Bypass Switch架构特性》

这是一个整合了功率MOSFET、PWM控制器和MLCC的一个三合一系统级封装控制器。相较于Schottky二极管，SPV1001因顺向压降非常小，比一般作法减少约30%的功耗，而随着偏置电流升高，两者的功耗差异也愈大，如图七；在温度特性上，Schottky二极管会随着电流的上升而快速升温，但SPV1001相较下升温缓慢，因此对散热器的需求可以降低。

《图七 SPV1001与Schottky二极管的功耗特性比较》

在极性逆转时，Schottky二极管会产生极大的逆偏漏电流（reverse leakage current），而且逆向电压愈大或温度愈高，泄露的情况就愈严重；相较之下，SPV1001的逆偏漏电流也非常小，小到几乎可以忽略（小于0.01mA），而且当逆向电压或温度改变时，泄露电流的值几乎维持不变。

整体而言，新型态的旁路开关组件有助于降低太阳能系统的功耗，也使得系统温度下降，因而不需使用太大的散热器。在此情况下，接线盒可以做的更轻、更小，也能降低成本。不仅如此，当系统的温度下降，设备的性能会更稳定，使用寿命也可以延长。

值得一提的是，新组件提供多种封装作法，其中D2PAK封装，适合聚光型太阳能电池（Concentration PV）使用；TO-220AC/TO-220可用于接线盒中；微型化的MPLD封装可以直接整合到太阳能模块中，进而能取代传统的接线盒装置。

结语

将太阳能电力系统与市电系统并联使用，对于降低既有发电原料的消耗及环境的保护会有很大的帮助。不过，要让太阳能电力系统能更为普及，必须从提高发电效率、降低建置和提升系统可靠性等面向下手。将DC-DC转换器从逆变器中移到太阳能板的MPPT分散控制架构，能够实现整体发电效率的提升诉求；此架构同时也具有简化逆变器的设计、降低EMI电磁干扰、延长使用寿命等许多好处。此外，在接线盒中以冷却旁路开关方案取代Schottky二极管，可以降低功耗、提高可靠性及实现更弹性的设计策略。

---本文作者任职于意法半导体电源管理实验室应用工程师经理---