根據DisplaySearch的研究，目前太陽能產業全球的產能已由2007年的296 MW （百萬瓦）提高2009年的1.6 GW （十億瓦），甚至預計2010年將達到3.0 GW （十億瓦）。產能的提高也使得太陽能電力系統的建置成本下降，愈來愈多的家庭、企業或公共機構皆開始導入太陽能系統。

在太陽能產業中，更高的轉換效率等同於降低成本，預估轉換效率每提高0.5%，則成本可以減少約3%，因此無論是單晶、多晶或矽薄膜等技術皆致力於提高轉換效率。目前市場上單晶太陽能電池的轉換效率約16% ~17%，多晶太陽能電池約15~16%，矽薄膜太陽能電池一般為6 ~7%、堆疊式則可達10%左右。

除了期待電池技術的進步外，要提升太陽能電力系統中的電能供應效率，立即可行的方式其實可以從電力轉換控制的角度下手。本文中將介紹前瞻性的最大功率追蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）太陽能轉換控制技術，並提出更可靠的旁路二極體控制器技術。

太陽能電力系統架構

太陽能電池（Solar Cell）又稱光伏電池（Photovoltaic Cell； PV Cell），它是一種將太陽光轉換成小單位電力的光電半導體薄片，它只要一照到光，瞬間就可輸出電壓及電流。將許多小單位的電力集合起來，就可以供應更大的電力，而將這些太陽能電池一小片、一小片的串接在一起就組成了一片的太陽能板（或稱太陽能模組）。

事實上，單一太陽能板可提供的電力還很有限，一般會在向陽的屋頂、牆面或空曠處將多塊面板以方陣方式組成太陽能板陣列（PV array），以收集更大的電力。太陽能板陣列與接線盒（Junction box）、DC-AC逆變器（Inverter）、電表和電氣設備等組成了太陽能電力系統，一般又可分為三種類型：

• 1. 獨立型系統：可單獨供應目前其所需之電力，而不需要與電力公司的配電傳輸網路作併聯的系統。由於在夜間或陰雨天無法由太陽光產生電力，因此獨立型系統加入了蓄電池組，在陽光充足時儲存適當電力，以提供穩定之電源。獨立型系統主要可應用於電力輸配線不容易到達或是無法供電的地區，如人口稀少的山區或離島。





• 2. 混合型系統：即太陽能光電與市電及蓄電池搭配的混合型式。平時由太陽能電力系統發電來供應負載及對蓄電池充電，夜間由電力公司供電，緊急時則由蓄電池供電。





• 3. 併聯型系統（Grid-connected System）：在人口密度高的地方，將太陽能電力系統與電力公司的配電傳輸網路併接。此架構中的太陽能電力系統可視為市電系統上的一個小型發電設備。透過雙向電表，太陽能電力不足時，可由市電提供負載；有剩餘電力則可送往電力公司。此系統架構請參考(圖一)。

《圖一　併聯型太陽能電力系統架構》

既有PV Inverter的最大功率追蹤限制

今日太陽能系統的成本主要來自於太陽能板模組，若想降低建置的成本，就得想辦法減少太陽能板的數量，但又不影響供電效率。要達成此訴求就得提高個別太陽能板的效率。太陽能板模組的最大功率定義為Wp（Watts peak），通常稱為MPP（Maximum power point）。產生瞬間最大功率的電壓及電流隨時都會因不同的照射狀況及溫度而發生改變。因此，為了要從太陽能模組取得最大的功率，它必須運作在最大功率的運作點。

每個的太陽能板都有自己的I-V曲線及P-V曲線特性，因此當照射條件變化時，最大功率運作點就會跟著改變。這時太陽能電力系統必須要有能力追蹤找到這個運作點，才能得到最佳的電力效益，如圖二。這個工作目前是交給DC-AC逆變器（Inverter）來執行。

《圖二　太陽能板的I-V及P-V特性曲線》

一般逆變器中有三個組成單元，即DC-DC轉換器、DC-AC轉換器及孤島抑制（anti-islanding）單元，如圖三。太陽能板模組得到的電力會先送到DC-DC轉換器，它會負責追蹤模組的最大功率運作點，即進行最大功率追蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制，並根據面板模組的建置架構和面板的數量，將輸入電壓穩定地供應用到DC-AC轉換器。

《圖三　逆變器組成單元結構》

DC-AC逆變器接著將直流電壓轉換為交流電壓的逆變器控制，以供應太陽能電力系統中的電器負載，或將剩餘電力傳送到到電網系統。孤島抑制控制器的作用是當有安全理由時，會中斷太陽能系統與電網系統的連結。他們的功能也能延伸用來分析電網電壓，以保證逆變器能與電網正常的連結工作。

在太陽能電力系統中，用來實現面板模組最佳功率的方式為MPPT，目前常見的架構有兩種，一種是集中型逆變器（Centralized Inverter），也就是將所有面板皆接到單一的逆變器來執行MPPT；另一種是多重串列型逆變器（Multi-string Inverter），也就是將每一串列的面板模組接到個別的DC-DC轉換器，分別執行MPPT後，再接到DC-AC轉換器。

這兩種方式都將MPPT功能交由逆變器集中控制，因而需要大量且複雜的控制運算，往往需採用DSP或微控制器來執行。在太陽能板陣列的受光條件一致時，此架構可以正常的工作，但當部分太陽能板出現效能不匹配或陰影遮蔽狀況時，此架構的電力效率就會大大受到影響。

事實上有許多原因會造成太陽能板陣列的不一致性。首先，不同的太陽能板因製造技術（不同廠牌）而存在效能不匹配的條件，或因部分面板老化而與新板效能不匹配；整個陣列的部分區域也可能因陰影、積塵或髒東西會影響功率的產生；此外，因不同的受光方位或太陽能板的曲度，都會使得不同面板有不同的熱梯度、反照率等。很顯然地，個別面板其實隨時都有自己的最大功率運作點。

分散式MPPT追蹤控制架構

因此，要讓整體太陽能系統的效率再提高，最佳的作法之一即是採用分散式的MPPT追蹤控制架構。我們提出的作法是將逆變器中的DC/DC轉換器及MPPT控制器移到個別的太陽能板當中，針對個別面板進行MPPT追蹤控制，進而能從個別面板收集到最大的能量，以讓整體太陽能系統能得到最大的效率。集中式與分散式的太陽能系統架構比較，如圖四。

《圖四　集中式與分散式的太陽能系統架構比較》 - BigPic:799x398

除了提升效率外，此架構還有許多好處。目前逆變器中的DC-DC轉換器就佔了整個設備約一半的空間，採分散式架構後可省略DC-DC轉換器，使逆變器的設計大幅簡化，例如可簡化DSP、微控制器及輔助電路（如訊號介面I/O、可程式介面等）的設計與工作負擔。同時尺寸會縮小一大半，成本自然也能降低許多。

從集中式的逆變器中移出的DC-DC轉換器，由於只需針對個別面板進行MPPT追蹤控制，因此可以開發成非常小的單晶片解決方案。以ST提出的太陽能升壓器（SPV1020）來說，即是一顆將功率開關、類比及邏輯單元整合在一起的單晶片，能夠執行MPPT和升壓拓墣的轉換功能。高整合度的晶片有助於減少電路板上的元件，讓系統出錯的機會大幅降低。

採用此轉換器可以有效降低電壓與電流的漣波現象，進而降低EMI電磁干擾。不僅如此，相較於逆變器，它可使用小型的MLCC非電解電容，可以有更長的使用壽命；它有助於降低寄生電阻，可以得到更高的效率。為了確保相容性，內建MPPT功能的太陽能板可以與既有的逆變器共用；不過，若要發揮最大的效用，需重新設計逆變器，再對具MPPT的太陽能板進行控制。

在建置策略上，一個太陽能板中要安置幾個轉換器，這要在成本與效率之間取得平衡。愈多轉換器就愈能降低陰影效應的影響，並提升系統的轉換效率，不過，這也會增加系統的成本。建議一個面板可先從二至三組電池組的控制開始，最多則可做到六組電池組的控制。在電池組的控制架構上，可以採串聯連結或並聯連結，也可採串／並聯併行的連結架構，如圖五。

《圖五　可行的太陽能板MPPT控制架構》 - BigPic:799x309

更可靠的接線盒旁路開關技術

除了提升電力效率外，太陽能系統的可靠性也非常重要。其中接線盒為太陽能電力系統中的一個關鍵組成，它將太陽能電池發出的電力集中後然後再輸出，若沒有接線盒則太陽能模組將無法適當的運行其發電功能。由於接線盒扮演串接的角色，它的設計上必須相當的牢靠，要經得起二十年以上的長時間使用。

接線盒中至少要有三條旁路二極體（bypass diodes）組成，主要是為了對應陰影遮蔽造成的熱點（hot spot）影響。當太陽能板部分區域受到陰影、鳥屎、樹葉、灰塵、掉落物遮蔽時，很容易形成部分區域過熱的狀況，嚴重時會對太陽能電池造成損害。為了防範熱點議題，在太陽能電池元件輸出端的兩極並聯一個旁路二極體，旁路二極體的電流值不能低於該塊太陽能元件的電流值，以進行保護。

這個旁路二極體通常會使用Schottky二極體，但其效能有限。因此新的冷卻旁路開關（Cool Bypass Switch）解決方案SPV1001，它可以達到與Schottky二極體相同的功能，而且能降低功耗、提高使用壽命及實現更彈性的設計。此方案的架構特性請參考(圖六)。

《圖六　Cool Bypass Switch架構特性》

這是一個整合了功率MOSFET、PWM控制器和MLCC的一個三合一系統級封裝控制器。相較於Schottky二極體，SPV1001因順向壓降非常小，比一般作法減少約30%的功耗，而隨著偏置電流升高，兩者的功耗差異也愈大，如圖七；在溫度特性上，Schottky二極體會隨著電流的上升而快速升溫，但SPV1001相較下升溫緩慢，因此對散熱器的需求可以降低。

《圖七　SPV1001與Schottky二極體的功耗特性比較》

在極性逆轉時，Schottky二極體會產生極大的逆偏漏電流（reverse leakage current），而且逆向電壓愈大或溫度愈高，洩露的情況就愈嚴重；相較之下，SPV1001的逆偏漏電流也非常小，小到幾乎可以忽略（小於0.01mA），而且當逆向電壓或溫度改變時，洩露電流的值幾乎維持不變。

整體而言，新型態的旁路開關元件有助於降低太陽能系統的功耗，也使得系統溫度下降，因而不需使用太大的散熱器。在此情況下，接線盒可以做的更輕、更小，也能降低成本。不僅如此，當系統的溫度下降，設備的性能會更穩定，使用壽命也可以延長。

值得一提的是，新元件提供多種封裝作法，其中D2PAK封裝，適合聚光型太陽能電池（Concentration PV）使用；TO-220AC/TO-220可用於接線盒中；微型化的MPLD封裝可以直接整合到太陽能模組中，進而能取代傳統的接線盒裝置。

結論

將太陽能電力系統與市電系統併聯使用，對於降低既有發電原料的消耗及環境的保護會有很大的幫助。不過，要讓太陽能電力系統能更為普及，必須從提高發電效率、降低建置和提升系統可靠性等面向下手。將DC-DC轉換器從逆變器中移到太陽能板的MPPT分散控制架構，能夠實現整體發電效率的提升訴求；此架構同時也具有簡化逆變器的設計、降低EMI電磁干擾、延長使用壽命等許多好處。此外，在接線盒中以冷卻旁路開關方案取代Schottky二極體，可以降低功耗、提高可靠性及實現更彈性的設計策略。

---本文作者任職於意法半導體電源管理實驗室應用工程師經理---