摘要
光電能源產業的前景似乎非常光明，市場增長迅速，大量創新技術不斷湧現。其市場驅動力量在不同國家的差異很大，但也有一個共同點，即必需提供最高效率，這就使太陽能電池和光電轉換器成為高科技的一個最佳實例。本文探討了不同太陽能電池板技術和系統功率範圍的意義，並把轉換器分為前端升壓轉換器和後端頻率轉換器，解釋了各種要求間的巨大差異及其解決方案。
全面上揚的市場
太陽能是快速增長的市場，過去兩年間的CAGR(年均複合增長率)約達35%。隨著太陽能電池板效率大幅提高，以及越來越多國家實施太陽能發電補助電價政策，再加上一個不容忽略的事實，即這種“清潔”能源在使用時無雜訊無污染，太陽能的高速發展實在不足為奇。相比其他可再生能源，太陽能擁有一些重要優勢。太陽能幾乎無處不在，其裝置從普通家庭所用的小型系統到大型發電廠規模不一；它無需供給維持工作，沒有可動的元部件件會對系統可靠性造成大影響。現在使用的其他能源，比如石油、煤或核能在可取得性和永續性方面都存在著問題，此外對環境也有不良影響。
因此，未來數年中，太陽能市場預計仍保持強勁的增長氣勢頭。太陽能發電顯然代表著一個全面上漲揚的市場。下圖顯示了過去幾年中不同類型太陽能電池板的產能。
所有大型太陽能電池板製造商都在積極建設大型發電廠，共同推動這一市場強勁發展。除了有這麼多外在驅動因素之外，市場在技術上不斷取得巨大的進步，電池效率也不斷提高。事實上，這一市場的發展趨勢頭如此強勁，以致其基本材料之一的原料矽出現短缺，這種材料也是半導體產業需要的基本材料。矽是地球上最常見的元素之一，但矽的清潔製程非常耗時，成本又高。如下圖所示，因此矽(或其他材料)使用量最少的薄膜電池發展最為迅速，儘管它們的效率比單晶矽電池低。
德西兩國政策最具指標意義
歐洲目前最大的太陽能市場是德國。不過，2007年德國的太陽能發電量只占全部可再生能源約4%，僅相當於該國總耗電量的0.6%。德國政府也像其他歐洲國家政府一樣，已制定明確目標，旨在提高可再生能源的比例，而風、生物和水能的發展空間和潛力有限。考慮到這一點，太陽能的龐大增長潛力就更加顯著。比較德國市場和西班牙市場(歐洲第二大市場)，可看出二者存在重大差異：
* 西班牙的太陽輻射密度特別的高
* 西班牙主要是直接輻射，而德國為間接輻射
* 西班牙的人口密度較低
兩個國家安裝的系統類型也因此大相徑庭。在德國，許多家庭在自己住宅的屋頂上安裝較小型的太陽能系統(功率範圍在5kW到20kW之間)；而在西班牙，主要裝置為動輒百萬瓦特的大型發電廠，同時還整合了大型轉換器，且具備追蹤系統可跟著太陽的移動並最佳化產能。這些發電廠需要大面積的土地，西班牙相對地廣人稀，正符合要求。此外，兩地採用的電池類型也有所不同，大型太陽能聚光電池發電廠在西班牙更受關注，因為這些電池很容易處理更高的日光照明密度。
單晶矽太陽能電池板技術
太陽能板轉換效率是重大挑戰
現在市面上主要有四類不同的電池板：
效率
a-Si，或多晶矽 10%
CdTe (碲化鎘) 12%
CIGS (銅銦鎵硫磺硒) 14%
c-Si，或單晶矽 16%
CPV (利用三結疊層電池的聚光器 PV) 25% (原型)
上述效率值是業界大規模生產平均估算值，故只是一個相對指標。現在，大約85%的電池板都是採用c-Si構建。如前所述，作為基本材料的原始矽已變得十分緊缺，但最近取得的一項突破性成果有可能改變這一現狀。已有多家公司開發出了umg-Si(“改良金屬矽”的縮寫)製作製程，這種材料純度低於用於半導體的矽，但對太陽能電池已足夠，且成本更低、更易於生產。這個事實意味著太陽能電池板的成本有可能降低，從而把沉重的成本壓力轉移到太陽能系統的其他元件亦即轉換器上，尋求一條類似的成本降低路徑。
PV 系統的輸出存在不少問題。其中大部分與太陽光到達電池的路徑有關，比如投射陰影、散射陰影，或者是模組上的灰塵或其他粒子。下圖顯示了小型發電廠的輸出功率是如何產生大損耗的。
樹木引起的陰影
為什麼這是一個挑戰呢？例如，50V的典型電池板輸出電壓可能由許多串聯的電池來實現，所有電池都是一個電流源。若其中一個電池被陰影遮住，它的電源阻抗就會大幅增加，且只有極少電流流經整個鏈路，也就是說，一個電池實際上導致了整個電池鏈的關斷。在電池板級，雖然可以採用旁通二極體來防止該問題惡化，但電池板本身就會大幅降低功率輸出。
第二類挑戰與電池板上的電池損壞或失配有關。而且，電池與轉換器的匹配對於確保系統在大多數時間內以最大效率工作至關重要。
第三，電池的腐蝕也是一大問題，因為系統的壽命一般超過20年，而一旦水或灰塵進入電池板，聚光器或轉換器就很容易發生故障。
上圖所示為PV系統的模組示意圖，左邊的電池板提供一個直流輸入，並連接到右邊的網路中。目前大多數系統都聯網，把產生的能量輸送到骨幹中。有些遠端系統雖沒有聯網，但通常提供與網上相同的輸出。
轉換器將根據是否需要隔離來選擇不同的拓撲。上面的模組示意圖顯示了無變壓器的拓撲結構，有助於最佳化效率。當需要隔離時，就必需引入變壓器。
為了讓變壓器盡可能地小，採用了另一個全橋來高頻驅動之，但這樣會使總體效率稍有降低。
主要元件原理
逆變器是電池板和網路間的主要元件。它為電池提供能夠承受的負載，消耗的功率最大，並把這種能量轉換為AC輸出電流。為此，採用了MPP(最大功率點)跟蹤器。各個電池可視為具有非線性電源阻抗的電壓源，通過改變升壓轉換器的輸入阻抗，負載變化，而MPP跟蹤器隨負載而變化，直到電壓和電流的乘積達到最大。到第二級，這個DC電流被轉換為所需的AC輸出電流。這時，轉換器將監控網路的電壓和頻率，以及它自己的輸出電流，以正確控制轉換器級。轉換器實際上相當於一個AC電流源，驅動網路阻抗。這種中間電壓必須高於所需的峰值輸出電壓，並有一定的餘裕，比如，220VRMS時，峰值電壓為 308V，則中間電壓通常選擇為350V…390V。這意味著第二個轉換器可以作為單純的步降電路，從而簡化拓撲。幾個升壓轉換器並聯在一起也很常見，可以同時連接多個電池板串。它們都“饋入”到同一個轉換器中。
3kWp輸出功率的小型逆變器
上圖所示為一個轉換器，帶有功率轉換專用主PCB。圖中心處是功率IGBT，被彈夾壓向散熱器。在右邊，電解電容作為升壓轉換器和轉換器之間的中間電容，用以儲存渡過各個50Hz週期所需的能量。這裡，為了把等效串聯阻抗降至最小，選擇並聯多個電容來代替一個大電容。中間的扁平線纜連接到安裝在機殼前面的微控制器，顯示器位於機殼前面。這是一個無變壓器轉換器，頂部的兩個大電感是輸出電感。
在典型的輸出功率5kW到10kWp的較小規模裝置中，可採用單獨的電錶來記錄系統產生的千瓦小時能量。在較大規模的發電廠中，這個任務則由轉換器來完成，因為它總是會測量電壓和電流。此時，由遠端主設備與逆變器通信，並跟蹤系統每個部分的產能。通過網路介面就可以輕鬆實現遠端檢測。
帶有好幾個並行工作的更高功率逆變器的機架
在上圖所示的這個較大型系統中，若干個轉換器被整合在多個機架中，總的輸出功率為500kW。機架中的轉換器很容易替換，只需像圖中所示那樣把轉換器拉出來即可。中間的這個單元是監控單元，用來控制所有轉換器並監控太陽能發電廠各個部分的性能。還有系統能夠在一個(較大的)機架單元中處理高達 200kW的功率，功率密度更高。
如上圖所示，轉換器的前端有一個獨特的任務。對後端而言，為了進行直流-交流高頻轉換，最好“饋入”比所需最大輸出電壓高一定餘裕量的直流電壓，這樣後端只需執行步降功能即可。但一個電池板的輸出電壓一般只有50到80V，故必須把好幾個電池板串聯起來，才能獲得高的輸入電壓。此外，這個電壓還依賴於太陽能輻射密度，這就造成了非常變化多端的複雜情況。挑戰在於：
* 輸入電壓的變化範圍很大。如果串聯的電池板數目過大，致使所有情況下輸入電壓都高於輸出電壓，則最大輸入電壓也會相當高，這時就需要擊穿電壓非常高的電源開關(價格昂貴，效率低下)，而且操作和佈線也會更加困難(使系統更不穩定)。折衷辦法是選擇較少的電池板串聯，使電壓不至於太高，不過，為了以較低的輻射水準提供輸出功率，還需要一個升壓轉換器。如此一來，雖然系統更為複雜，但系統的總效率和產能可變得更高。
* 在較大型的系統中，有若干串(string)串聯電池板與轉換器相連接。如果其中一個電池板被陰影遮住，或電池單元產能開始降低，則這一串電池板的輸出電壓都會變低。為解決此問題，需要每串採用一個升壓轉換器來補償個別電池板的變異，並使每串電池板都工作在最大功率點(MPP)。
* 由於各個電池板都有不同的MPP，在連接之前必須對它們進行分類，以確保其MPP匹配，否則即使採用世界上最好的轉換器也無法獲得最大產能。
MPP跟蹤功能需要電壓和電流的乘積來計算輸出功率。因而，負載阻抗輕微改變，系統往電池板吸收更高的功率方向移動。這種演算法被重複執行。由於輻射通常變化緩慢，故不需要高速環路。
上圖給出了輸入端MPP跟蹤器匹配的一個例子，顯示了前端轉換器能夠如何緊密地匹配其輸入阻抗和電池板的輸出阻抗。水平尺度是總定功率；垂直尺度是輸入電壓。紅色陰影部分為效率較高的區域。輸入阻抗由MPP跟蹤器的回饋環路控制，故任何偏差都會表現為效率的降低，意味著存在該控制環路無法控制的東西?這是轉換器、拓撲和所選元件固有的局限性。問題另一個根源可能在於測定輸入電流和電壓時的測量誤差，以及交流-直流轉換器和控制器的解析度的限制。
上圖顯示了同一個轉換器的總體轉換率，忽略輸入端的失配，只單純考慮AC輸出功率與DC輸入功率的關係。水平尺度為額定功率，垂直尺度為輸入電壓。這個例子表明，一個工作良好、尤其在高輸入電壓下更是如此的逆變器，在電壓降低時，轉換率也隨之下降。左邊可見轉換器的固有能耗降低轉換率。輸入過流保護功能見右下角。
正如該圖所示，前端轉換器需要“越硬”地工作，轉換率就越低。在高輸入電壓條件下，幾乎無需提供額外的升壓，相應的功耗也較低。然而，在輸入電壓較低時，輸入端的高AC電流紋波意味著更大的損耗。升壓轉換器的改進首先是提高總體效率，其次是把最大效率區往低輸入電壓方向移動，為電池板提供更好的匹配。由於電池板具有非零電源阻抗，負載下輸出電壓要比空載下輸出電壓低得多，特別是對薄膜電池板而言。於是，轉換器應該降低電壓級才能獲得最大轉換率，因為在輸入電壓極高時，轉換率會因這種失配而損耗。
有趣的是，最佳追蹤是在輸入電壓為390V時獲得，這個電壓正好關斷升壓轉換器，而且在兩級和單級工作模式之間的切換點可以看到明顯的區別。跟蹤和功率轉換的效率低下原因在於選擇的轉換器並非最佳，不能把所需的輸入阻抗值足夠好地轉換為某個輸出阻抗。在左上角，可看到追蹤和效率較差，表明主轉換器無法極好地處理高電壓下的低輸入電流。這可能是輸出電容過大的電源開關引起的，因為損耗與C*U成比例。隨著轉換器中的電流增大(圖中向右移動)，開關損耗的比例逐漸小於導通損耗，因此效率實際提高，但功耗卻增加。
左邊垂直的黃色面積表明，轉換率在低功率時更低，這可能是因為這個轉換器的升壓轉換器的開關損耗比必需的更高。在右下角，在低輸入電壓兼高功率下，輸入電流變得非常大，輸入DC過流保護功能不得不關斷轉換器。在右邊，當功率級超過115%時，轉換器也將關斷。
為了提高性能，並讓圖中“紅色”部分變得更大，可以進行多種不同的測量。除了必然的被動元件最佳化以外，還需要謹慎選擇升壓二極體以減小開關損耗(在低輸入功率下提高性能，圖左)，獲得低的正向電壓降(在高輸入電流下提高轉換率，圖中下面部分)。快捷半導體的Stealth II二極體或碳化矽二極體就能夠提供這種最佳化。升壓轉換器的電源開關，通常是MOSFET，也需要精心選擇。在低輸入電壓條件下，開關上的電流因高占空比造成導通損耗，所以低導通阻抗RDSON十分重要?事實上，TO-247封裝中有好幾個大型MOSFET並聯比較常見。
仔細選擇升壓轉換器的工作模式可以進一步提高性能。選擇連續模式轉換，把AC損耗降至最小，同時更低的紋波電流可以降低系統中的無用開銷。不過，這是一個硬開關系統，故應該選擇輸出電容很低的功率MOSFET。但這與開關中採用較大器件以降低導通損耗的要求有些抵觸。這時，快捷半導體的 SuperFET器件可以給出良好的折衷方案，同時提供“快速”體二極體，並無損RDSON。這種器件很有用，在圖的右下角，在低輸入電壓和高功率條件下，轉換器的占空比相當長，開關中電流很大。
閘驅動器電路架構
電源開關的正確柵閘極驅動在許多方面都至關重要。下圖給出了典型的電路結架構：
Rgate的值對系統的性能十分關鍵。這個電阻值越小，MOSFET的開關速度就越快(倘若柵極驅動器具有足夠低的輸出阻抗)。開關速度越快，dI/dt和 dv/dt相應越高，電磁輻射(EMI)也越大，這可能導致元件擊穿，可靠性降低。若柵極電阻值變大，開關速度減小，但這時器件電流和電壓之間的交迭增加，於是開關損耗增大。換言之，開關的行為越來越不像開關，而是花費越來越多的時間在線性區域，從而產生功耗。總言之，需要對柵極阻抗值進行精細調節，以便把功耗和EMI降至最低。
為了再進一步提高性能，採用諧振或准諧振拓撲是一種選擇，儘管對寬輸入電壓範圍來說，它們存在諸多問題，並仍工作在ZVS(“零電壓開關”)或ZCS(“零電流開關”)狀態。另一種可提高性能的拓撲是隔行掃描升壓轉換器。在這種拓撲中，多個轉換器並行工作，彼此反相，輸出端的紋波電流減小。此外，若輸入電壓足夠高，升壓轉換器可完全關斷並利用繼電器橋接，從而進一步降低損耗。
轉換器或轉換器的直流-交流部分可採用多種不同的拓撲構建，其中相當一部分是某些轉換器廠商的專有技術。“經典”拓撲之一是使用全橋，驅動輸出電感降低 EMI。此時，某些器件可能在線頻率下轉換，而另一些通過轉換頻率轉換。明智的選擇是，利用第一類器件來實現最低導通阻抗，如快捷半導體的Non Punch Through (NPT) Fieldstop (FS) IGBT，而通過第二類器件來實現最低開關損耗，如快捷半導體新推的NPT Field Stop Trench器件。這裡，不同IGBT乃至IGBT和MOSFET的組合有助於提高總體轉換率。為了正確驅動電源開關，可採用光隔離柵極驅動器，如快捷半導體的FOD3180，以增強系統可靠性，因為若網格出現故障，高dv/dt很可能會突然出現。
結語
在太陽能轉換器這樣的應用中，關鍵性能參數是轉換效率，故採用IGBT、MOSFET和二極體來提高開關器件的性能非常重要。這時，儘管主要關注的是如何正確驅動開關、避免寄生振動和過壓(高效率和高穩健性的兩大障礙)，以獲得盡可能高的增益，但電壓降和開關能耗仍有所改進。子系統集成在智慧功率模組中的確助益良多！由於驅動器和功率開關極為接近並且理想匹配，故可以重複實現最好的開關行為。快捷半導體正在推動電源開關和模組集成技術的發展，以支援這些綠色高科技應用在性能方面的進一步提高。
光電能源產業的前景似乎非常光明，市場增長迅速，大量創新技術不斷湧現。其市場驅動力量在不同國家的差異很大，但也有一個共同點，即必需提供最高效率，這就使太陽能電池和光電轉換器成為高科技的一個最佳實例。本文探討了不同太陽能電池板技術和系統功率範圍的意義，並把轉換器分為前端升壓轉換器和後端頻率轉換器，解釋了各種要求間的巨大差異及其解決方案。
全面上揚的市場
太陽能是快速增長的市場，過去兩年間的CAGR(年均複合增長率)約達35%。隨著太陽能電池板效率大幅提高，以及越來越多國家實施太陽能發電補助電價政策，再加上一個不容忽略的事實，即這種“清潔”能源在使用時無雜訊無污染，太陽能的高速發展實在不足為奇。相比其他可再生能源，太陽能擁有一些重要優勢。太陽能幾乎無處不在，其裝置從普通家庭所用的小型系統到大型發電廠規模不一；它無需供給維持工作，沒有可動的元部件件會對系統可靠性造成大影響。現在使用的其他能源，比如石油、煤或核能在可取得性和永續性方面都存在著問題，此外對環境也有不良影響。
因此，未來數年中，太陽能市場預計仍保持強勁的增長氣勢頭。太陽能發電顯然代表著一個全面上漲揚的市場。下圖顯示了過去幾年中不同類型太陽能電池板的產能。
所有大型太陽能電池板製造商都在積極建設大型發電廠，共同推動這一市場強勁發展。除了有這麼多外在驅動因素之外，市場在技術上不斷取得巨大的進步，電池效率也不斷提高。事實上，這一市場的發展趨勢頭如此強勁，以致其基本材料之一的原料矽出現短缺，這種材料也是半導體產業需要的基本材料。矽是地球上最常見的元素之一，但矽的清潔製程非常耗時，成本又高。如下圖所示，因此矽(或其他材料)使用量最少的薄膜電池發展最為迅速，儘管它們的效率比單晶矽電池低。
德西兩國政策最具指標意義
歐洲目前最大的太陽能市場是德國。不過，2007年德國的太陽能發電量只占全部可再生能源約4%，僅相當於該國總耗電量的0.6%。德國政府也像其他歐洲國家政府一樣，已制定明確目標，旨在提高可再生能源的比例，而風、生物和水能的發展空間和潛力有限。考慮到這一點，太陽能的龐大增長潛力就更加顯著。比較德國市場和西班牙市場(歐洲第二大市場)，可看出二者存在重大差異：
* 西班牙的太陽輻射密度特別的高
* 西班牙主要是直接輻射，而德國為間接輻射
* 西班牙的人口密度較低
兩個國家安裝的系統類型也因此大相徑庭。在德國，許多家庭在自己住宅的屋頂上安裝較小型的太陽能系統(功率範圍在5kW到20kW之間)；而在西班牙，主要裝置為動輒百萬瓦特的大型發電廠，同時還整合了大型轉換器，且具備追蹤系統可跟著太陽的移動並最佳化產能。這些發電廠需要大面積的土地，西班牙相對地廣人稀，正符合要求。此外，兩地採用的電池類型也有所不同，大型太陽能聚光電池發電廠在西班牙更受關注，因為這些電池很容易處理更高的日光照明密度。
單晶矽太陽能電池板技術
太陽能板轉換效率是重大挑戰
現在市面上主要有四類不同的電池板：
效率
a-Si，或多晶矽 10%
CdTe (碲化鎘) 12%
CIGS (銅銦鎵硫磺硒) 14%
c-Si，或單晶矽 16%
CPV (利用三結疊層電池的聚光器 PV) 25% (原型)
上述效率值是業界大規模生產平均估算值，故只是一個相對指標。現在，大約85%的電池板都是採用c-Si構建。如前所述，作為基本材料的原始矽已變得十分緊缺，但最近取得的一項突破性成果有可能改變這一現狀。已有多家公司開發出了umg-Si(“改良金屬矽”的縮寫)製作製程，這種材料純度低於用於半導體的矽，但對太陽能電池已足夠，且成本更低、更易於生產。這個事實意味著太陽能電池板的成本有可能降低，從而把沉重的成本壓力轉移到太陽能系統的其他元件亦即轉換器上，尋求一條類似的成本降低路徑。
PV 系統的輸出存在不少問題。其中大部分與太陽光到達電池的路徑有關，比如投射陰影、散射陰影，或者是模組上的灰塵或其他粒子。下圖顯示了小型發電廠的輸出功率是如何產生大損耗的。
樹木引起的陰影
為什麼這是一個挑戰呢？例如，50V的典型電池板輸出電壓可能由許多串聯的電池來實現，所有電池都是一個電流源。若其中一個電池被陰影遮住，它的電源阻抗就會大幅增加，且只有極少電流流經整個鏈路，也就是說，一個電池實際上導致了整個電池鏈的關斷。在電池板級，雖然可以採用旁通二極體來防止該問題惡化，但電池板本身就會大幅降低功率輸出。
第二類挑戰與電池板上的電池損壞或失配有關。而且，電池與轉換器的匹配對於確保系統在大多數時間內以最大效率工作至關重要。
第三，電池的腐蝕也是一大問題，因為系統的壽命一般超過20年，而一旦水或灰塵進入電池板，聚光器或轉換器就很容易發生故障。
上圖所示為PV系統的模組示意圖，左邊的電池板提供一個直流輸入，並連接到右邊的網路中。目前大多數系統都聯網，把產生的能量輸送到骨幹中。有些遠端系統雖沒有聯網，但通常提供與網上相同的輸出。
轉換器將根據是否需要隔離來選擇不同的拓撲。上面的模組示意圖顯示了無變壓器的拓撲結構，有助於最佳化效率。當需要隔離時，就必需引入變壓器。
為了讓變壓器盡可能地小，採用了另一個全橋來高頻驅動之，但這樣會使總體效率稍有降低。
主要元件原理
逆變器是電池板和網路間的主要元件。它為電池提供能夠承受的負載，消耗的功率最大，並把這種能量轉換為AC輸出電流。為此，採用了MPP(最大功率點)跟蹤器。各個電池可視為具有非線性電源阻抗的電壓源，通過改變升壓轉換器的輸入阻抗，負載變化，而MPP跟蹤器隨負載而變化，直到電壓和電流的乘積達到最大。到第二級，這個DC電流被轉換為所需的AC輸出電流。這時，轉換器將監控網路的電壓和頻率，以及它自己的輸出電流，以正確控制轉換器級。轉換器實際上相當於一個AC電流源，驅動網路阻抗。這種中間電壓必須高於所需的峰值輸出電壓，並有一定的餘裕，比如，220VRMS時，峰值電壓為 308V，則中間電壓通常選擇為350V…390V。這意味著第二個轉換器可以作為單純的步降電路，從而簡化拓撲。幾個升壓轉換器並聯在一起也很常見，可以同時連接多個電池板串。它們都“饋入”到同一個轉換器中。
3kWp輸出功率的小型逆變器
上圖所示為一個轉換器，帶有功率轉換專用主PCB。圖中心處是功率IGBT，被彈夾壓向散熱器。在右邊，電解電容作為升壓轉換器和轉換器之間的中間電容，用以儲存渡過各個50Hz週期所需的能量。這裡，為了把等效串聯阻抗降至最小，選擇並聯多個電容來代替一個大電容。中間的扁平線纜連接到安裝在機殼前面的微控制器，顯示器位於機殼前面。這是一個無變壓器轉換器，頂部的兩個大電感是輸出電感。
在典型的輸出功率5kW到10kWp的較小規模裝置中，可採用單獨的電錶來記錄系統產生的千瓦小時能量。在較大規模的發電廠中，這個任務則由轉換器來完成，因為它總是會測量電壓和電流。此時，由遠端主設備與逆變器通信，並跟蹤系統每個部分的產能。通過網路介面就可以輕鬆實現遠端檢測。
帶有好幾個並行工作的更高功率逆變器的機架
在上圖所示的這個較大型系統中，若干個轉換器被整合在多個機架中，總的輸出功率為500kW。機架中的轉換器很容易替換，只需像圖中所示那樣把轉換器拉出來即可。中間的這個單元是監控單元，用來控制所有轉換器並監控太陽能發電廠各個部分的性能。還有系統能夠在一個(較大的)機架單元中處理高達 200kW的功率，功率密度更高。
如上圖所示，轉換器的前端有一個獨特的任務。對後端而言，為了進行直流-交流高頻轉換，最好“饋入”比所需最大輸出電壓高一定餘裕量的直流電壓，這樣後端只需執行步降功能即可。但一個電池板的輸出電壓一般只有50到80V，故必須把好幾個電池板串聯起來，才能獲得高的輸入電壓。此外，這個電壓還依賴於太陽能輻射密度，這就造成了非常變化多端的複雜情況。挑戰在於：
* 輸入電壓的變化範圍很大。如果串聯的電池板數目過大，致使所有情況下輸入電壓都高於輸出電壓，則最大輸入電壓也會相當高，這時就需要擊穿電壓非常高的電源開關(價格昂貴，效率低下)，而且操作和佈線也會更加困難(使系統更不穩定)。折衷辦法是選擇較少的電池板串聯，使電壓不至於太高，不過，為了以較低的輻射水準提供輸出功率，還需要一個升壓轉換器。如此一來，雖然系統更為複雜，但系統的總效率和產能可變得更高。
* 在較大型的系統中，有若干串(string)串聯電池板與轉換器相連接。如果其中一個電池板被陰影遮住，或電池單元產能開始降低，則這一串電池板的輸出電壓都會變低。為解決此問題，需要每串採用一個升壓轉換器來補償個別電池板的變異，並使每串電池板都工作在最大功率點(MPP)。
* 由於各個電池板都有不同的MPP，在連接之前必須對它們進行分類，以確保其MPP匹配，否則即使採用世界上最好的轉換器也無法獲得最大產能。
MPP跟蹤功能需要電壓和電流的乘積來計算輸出功率。因而，負載阻抗輕微改變，系統往電池板吸收更高的功率方向移動。這種演算法被重複執行。由於輻射通常變化緩慢，故不需要高速環路。
上圖給出了輸入端MPP跟蹤器匹配的一個例子，顯示了前端轉換器能夠如何緊密地匹配其輸入阻抗和電池板的輸出阻抗。水平尺度是總定功率；垂直尺度是輸入電壓。紅色陰影部分為效率較高的區域。輸入阻抗由MPP跟蹤器的回饋環路控制，故任何偏差都會表現為效率的降低，意味著存在該控制環路無法控制的東西?這是轉換器、拓撲和所選元件固有的局限性。問題另一個根源可能在於測定輸入電流和電壓時的測量誤差，以及交流-直流轉換器和控制器的解析度的限制。
上圖顯示了同一個轉換器的總體轉換率，忽略輸入端的失配，只單純考慮AC輸出功率與DC輸入功率的關係。水平尺度為額定功率，垂直尺度為輸入電壓。這個例子表明，一個工作良好、尤其在高輸入電壓下更是如此的逆變器，在電壓降低時，轉換率也隨之下降。左邊可見轉換器的固有能耗降低轉換率。輸入過流保護功能見右下角。
正如該圖所示，前端轉換器需要“越硬”地工作，轉換率就越低。在高輸入電壓條件下，幾乎無需提供額外的升壓，相應的功耗也較低。然而，在輸入電壓較低時，輸入端的高AC電流紋波意味著更大的損耗。升壓轉換器的改進首先是提高總體效率，其次是把最大效率區往低輸入電壓方向移動，為電池板提供更好的匹配。由於電池板具有非零電源阻抗，負載下輸出電壓要比空載下輸出電壓低得多，特別是對薄膜電池板而言。於是，轉換器應該降低電壓級才能獲得最大轉換率，因為在輸入電壓極高時，轉換率會因這種失配而損耗。
有趣的是，最佳追蹤是在輸入電壓為390V時獲得，這個電壓正好關斷升壓轉換器，而且在兩級和單級工作模式之間的切換點可以看到明顯的區別。跟蹤和功率轉換的效率低下原因在於選擇的轉換器並非最佳，不能把所需的輸入阻抗值足夠好地轉換為某個輸出阻抗。在左上角，可看到追蹤和效率較差，表明主轉換器無法極好地處理高電壓下的低輸入電流。這可能是輸出電容過大的電源開關引起的，因為損耗與C*U成比例。隨著轉換器中的電流增大(圖中向右移動)，開關損耗的比例逐漸小於導通損耗，因此效率實際提高，但功耗卻增加。
左邊垂直的黃色面積表明，轉換率在低功率時更低，這可能是因為這個轉換器的升壓轉換器的開關損耗比必需的更高。在右下角，在低輸入電壓兼高功率下，輸入電流變得非常大，輸入DC過流保護功能不得不關斷轉換器。在右邊，當功率級超過115%時，轉換器也將關斷。
為了提高性能，並讓圖中“紅色”部分變得更大，可以進行多種不同的測量。除了必然的被動元件最佳化以外，還需要謹慎選擇升壓二極體以減小開關損耗(在低輸入功率下提高性能，圖左)，獲得低的正向電壓降(在高輸入電流下提高轉換率，圖中下面部分)。快捷半導體的Stealth II二極體或碳化矽二極體就能夠提供這種最佳化。升壓轉換器的電源開關，通常是MOSFET，也需要精心選擇。在低輸入電壓條件下，開關上的電流因高占空比造成導通損耗，所以低導通阻抗RDSON十分重要?事實上，TO-247封裝中有好幾個大型MOSFET並聯比較常見。
仔細選擇升壓轉換器的工作模式可以進一步提高性能。選擇連續模式轉換，把AC損耗降至最小，同時更低的紋波電流可以降低系統中的無用開銷。不過，這是一個硬開關系統，故應該選擇輸出電容很低的功率MOSFET。但這與開關中採用較大器件以降低導通損耗的要求有些抵觸。這時，快捷半導體的 SuperFET器件可以給出良好的折衷方案，同時提供“快速”體二極體，並無損RDSON。這種器件很有用，在圖的右下角，在低輸入電壓和高功率條件下，轉換器的占空比相當長，開關中電流很大。
閘驅動器電路架構
電源開關的正確柵閘極驅動在許多方面都至關重要。下圖給出了典型的電路結架構：
Rgate的值對系統的性能十分關鍵。這個電阻值越小，MOSFET的開關速度就越快(倘若柵極驅動器具有足夠低的輸出阻抗)。開關速度越快，dI/dt和 dv/dt相應越高，電磁輻射(EMI)也越大，這可能導致元件擊穿，可靠性降低。若柵極電阻值變大，開關速度減小，但這時器件電流和電壓之間的交迭增加，於是開關損耗增大。換言之，開關的行為越來越不像開關，而是花費越來越多的時間在線性區域，從而產生功耗。總言之，需要對柵極阻抗值進行精細調節，以便把功耗和EMI降至最低。
為了再進一步提高性能，採用諧振或准諧振拓撲是一種選擇，儘管對寬輸入電壓範圍來說，它們存在諸多問題，並仍工作在ZVS(“零電壓開關”)或ZCS(“零電流開關”)狀態。另一種可提高性能的拓撲是隔行掃描升壓轉換器。在這種拓撲中，多個轉換器並行工作，彼此反相，輸出端的紋波電流減小。此外，若輸入電壓足夠高，升壓轉換器可完全關斷並利用繼電器橋接，從而進一步降低損耗。
轉換器或轉換器的直流-交流部分可採用多種不同的拓撲構建，其中相當一部分是某些轉換器廠商的專有技術。“經典”拓撲之一是使用全橋，驅動輸出電感降低 EMI。此時，某些器件可能在線頻率下轉換，而另一些通過轉換頻率轉換。明智的選擇是，利用第一類器件來實現最低導通阻抗，如快捷半導體的Non Punch Through (NPT) Fieldstop (FS) IGBT，而通過第二類器件來實現最低開關損耗，如快捷半導體新推的NPT Field Stop Trench器件。這裡，不同IGBT乃至IGBT和MOSFET的組合有助於提高總體轉換率。為了正確驅動電源開關，可採用光隔離柵極驅動器，如快捷半導體的FOD3180，以增強系統可靠性，因為若網格出現故障，高dv/dt很可能會突然出現。
結語
在太陽能轉換器這樣的應用中，關鍵性能參數是轉換效率，故採用IGBT、MOSFET和二極體來提高開關器件的性能非常重要。這時，儘管主要關注的是如何正確驅動開關、避免寄生振動和過壓(高效率和高穩健性的兩大障礙)，以獲得盡可能高的增益，但電壓降和開關能耗仍有所改進。子系統集成在智慧功率模組中的確助益良多！由於驅動器和功率開關極為接近並且理想匹配，故可以重複實現最好的開關行為。快捷半導體正在推動電源開關和模組集成技術的發展，以支援這些綠色高科技應用在性能方面的進一步提高。
