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摘要：半导体是支撑太阳能和风力等可再生能源的重要技术，而这一点鲜为人知。太阳能面板本身即是一种半导体光电二极管，当受到光照射时，其内部会有电流流动，产生直流电。风力发电和水力发电是利用强风（或强水流）带动涡轮（叶片），使发电机运转，产生交流电。产生的电力经由系统输电线（商用交流电线）供全日本使用。由这些可再生能源产生的电力，其电压与额定频率为50Hz或60Hz的商用电力的有效电压100V完全不同，因此必须将可再生能源产生的电力转换为符合商用电源的规格。这一过程就需要使用半导体芯片。本文将对利用可再生能源时所必须的半导体技术进行介绍。

关键字：半导体技术、可再生能源、功率半导体、风力发电、水力发电、蓄电系统

日本向全世界宣布要在2050年实现碳中和。所谓的碳中和是指人类活动中产生的CO₂量与植物为进行光合作用而吸收的CO₂量相抵消，从而达到“净零排放”。到目前为止，随着工业化的推进，排出的CO₂量远远高于吸收的CO₂量。因此，重要的是尽量不产生CO₂或者尽量减少CO₂产生量，如果一定要产生CO₂的话，就必须通过种植植物来吸收CO₂。

为了不产生CO₂，必须使用不排放CO₂的动力和能源。另外，为了削减CO₂排放量，重要的是消除浪费，并尽可能降低电力消耗，以少量的能源驱动系统或产生动力。

可再生能源被定位为不产生CO₂的能源。另外，虽然核能发电也不会排放CO₂，但核能发电必定伴随着风险。美国自从三里岛核事故以来，没有再新建核电站。

因而最理想的还是可再生能源。

另外，尽可能降低电力消耗，以少量的能源驱动系统或产生动力的技术也很重要。实际上，无论是可再生能源的利用方面，还是降低耗电方面，半导体技术都发挥着重要作用。

将可再生能源电力导入电网时的问题

目前，商用的可再生能源主要是太阳能(太阳光)、风力、水力，但是也有部分利用温泉的地热以及强洋流区域的潮汐进行发电。除太阳能以外的可再生能源发电均依靠涡轮的旋转来使发电机转动——风力是通过风带动涡轮旋转，水力是利用从水坝流下的水流来带动涡轮旋转，地热是利用来自地下的温泉的热能和蒸汽来带动涡轮旋转。

只有太阳能发电是将太阳光直接转化成电能。在太阳能发电中，太阳能面板是一种光电二极管，为使光能转化为电能，其上具有半导体PN结，在该部位电子和空穴向相反方向移动从而产生电流。也就是说，太阳能电池本身就是一种半导体。其产生的电流是单向流动的直流电，而商用电源是100V交流电，因此必须将该直流电转换为交流电。

另外，单个电池的PN结产生的电压只有0.7~0.8V左右，通过串联几十个PN结可得到几十V的电压。太阳能面板由数个至数十个太阳能电池片构成，单个太阳能电池片上数十个光电二极管串联排列，电压可达数百V。通过排列多个太阳能面板可以获得更高的电力。

其他可再生能源利用的是与电动机具有相同结构的发电机，通过转动转子来产生交流电。风车或水轮机通过转动叶片来驱动发电机，产生交流电。但是，为了满足家庭、办公室、工厂等的商用，必须产生频率为50Hz或60Hz，有效电压为100V或200V的交流电。然而，风力和水力产生的交流电根据风和水的强度不同，其电压和频率会发生变化，因此不能直接接入电网。为解决该问题，需要将风力和水力等产生的交流电转换为稳定的商用电，此时，半导体发挥了重要作用。

在日本，交流电的频率在东日本为50Hz，在西日本为60Hz。即使都是交流电，要从50Hz转换到60Hz，必须先转换为直流电，再通过半导体精确地转为60Hz或50Hz的正弦波交流电。实际上，日本是世界上唯一一个电力频率不统一的国家，算是独树一帜。

太阳能发电必须使用功率调节器

为了将太阳能产生的电力转化为商用电力，功率调节器必不可少。在太阳能发电中，串联连接太阳能电池。以住宅为例，朝南的屋顶上安装多个模组，而朝东或朝西的屋顶上安装少量模组。

在图1中，由模组串联而成的面板称为组列，将西侧的屋顶上由6个模组构成的组列命名为组列1，东侧的屋顶上由7个模组构成的组列命名为组列2，南侧的屋顶上由10个模组构成的组列命名为组列3。由于每个组列中的模组数量不同，因此产生的电压也不同。因此，在每个组列上安装DC-DC转换器(半导体)，将各自不同的电压统一转换为100V直流电压。然后，通过逆变器(半导体)将该电压从直流转换为交流。为了使此时的交流频率为50Hz或者60Hz，需要使用半导体进行调整。由此可见，在该过程中使用了多个半导体。

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图1 通过DC-DC转换器将不同输出电压的组列都转换为100V

图1中的最大功率点追踪（MPPT）控制技术是指，调整电流和电压值，以使太阳能电池以最大功率输出的技术。太阳能电池材料在太阳光的作用下产生电子和空穴，电流流动，此时会产生电流和电压，但其特点是电压最大时电流为零，而低电压时会有大量电流流动。因为功率等于电流×电压，如图2所示，存在最大功率即最优值。MPPT控制技术是根据电流的大小进行调整以使功率达到最大的技术。

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图2 通过MPPT控制技术使功率始终保持最大

只要是利用具有MPPT控制技术的DC-DC转换器将电力转换为100V等特定输出电压，就可以使用这种功率调节器，而无需考虑模组个数的差异、以及模组中搭载的太阳能单电池的种类和制造企业。

在图1所示的3个组列的例子中，各个组列达到的最大功率即最佳值各不相同。图2示出组合使用3个组列时的最大功率值。3个组列各自的最佳值和组合后的功率最佳值略有不同，而将不同最佳值组合实现最大功率值的技术被称为全MPPT控制。当然这里也用到了半导体技术。

功率半导体的种类丰富

下文将对上文中使用到的半导体进行简单介绍。太阳能面板输出的电力是直流电，且每个组列的电压水平各不相同，因此先用DC-DC转换器将几十伏的直流电转换为100V的直流电。在该转换过程中，需要功率晶体管，以及用于向其栅极施加适当电压的驱动IC(功率半导体的一种)和反馈环路等。还需要用于将直流100V转换为交流100V的逆变电路(通过改变用于使功率晶体管通断的脉冲的幅度，模拟正弦波交流电)，该过程的关键部件——晶体管是功率晶体管。通过准确地控制脉冲幅度，可以产生准确的50Hz或60Hz交流电压。

日本的功率晶体管在世界排名前列，也是日本的优势领域，除了最普及的MOSFET、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等硅晶体管之外，近年来也推出了碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）、氮化镓高迁移率晶体管（GaN HEMT）等新型晶体管。如图3所示，这些晶体管具有能以高频率工作的优点，由于高频状态可以实现大电容器和电感器(线圈)的小型化，因此能够缩小系统整体的体积。

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图3 各种功率晶体管的定位

与电池组合使用提高稳定性

上述住宅用太阳能面板基本上只在白天发电。虽说人类的社会活动会在白天使用大量电力，夜间使用的电力较少，但由于晚上完全不进行发电，所以仅靠太阳能发电很难维持稳定的电力供应。

而且，如果是工业用太阳能发电站的话，发电规模极大，达到兆瓦级别，其波动对电网会产生巨大影响。因此，为了调和白天和夜间的差异，还配备有电池(蓄电池)。白天将太阳能产生的电力储存在电池中，在太阳能完全不进行发电的夜间，利用白天储存在电池中的电力使夜间电力达到电网平衡。

关于太阳能发电，只有在光照射的情况下才会有电流流动，没有储存电力的能力，但是如果和电池配套运行的话，就可以充当发电站。在电池系统中，为了将太阳能产生的电压储存在电池中，需要安装负责转换的DC-DC转换器，这里也用到了半导体。另外，在将电池中的电力送回输电线时，必须从电池中提取出储蓄的直流电，然后转换为交流电。如图4所示，有时将太阳能面板的电力送回输电线，有时直接利用。由此实现整个电力系统的供需平衡。

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图4 在太阳能发电系统中配备电池

这里也需要功率调节器。同样，在用于充电的电池系统中，也需要用于将太阳能面板的电压转换为电池电压的DC-DC转换器，用于在充电时进行控制的充电控制IC，以及用于向电网供给交流电的DC-AC逆变器等电路和半导体。

在这些电路中，为了处理高电压，功率半导体必不可少。根据需要控制的功率，分别使用硅质MOSFET(MOS型场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、SiC MOSFET等。

功率调节器在风力发电中也不可缺少

德国盛行风力发电，风车随处可见(图5)。比起太阳能，风力的发电量更多。高速公路沿线也设置了风车，但是因噪音大而受到批判，因此在海上设置风力涡轮机的海上风力发电备受关注。海上风大，有噪音也不会引起注意。

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图5 德国随处可见的风车

在风力发电和水力发电中，利用风和水的力量来使涡轮旋转，但是风势和水势稍有变动就会改变涡轮的旋转速度，输出功率也会随之发生变化。因此，和太阳能系统一样，功率调节器必不可少。以前，通过抵消由涡轮转动引起的电力波动来稳定风力发电的电压。但是，这种方式的精度低，因此，现在的方法是将涡轮产生的不稳定交流电转换为稳定的直流电，再转换成稳定的交流电。

即使涡轮的转速发生了变化，只要预先将电力转换为稳定的直流电，就能够通过半导体，即IGBT等功率晶体管、驱动电路、微机等，准确地产生与电网相当的电压和相位。

而且，在以往的风力发电中，使用齿轮箱将风车的缓慢旋转转换为发电机的高速旋转，但齿轮会增加机械应力，导致可靠性不足。因此，不使用齿轮箱，直接通过AC-DC转换器产生直流电，再在该稳定的电源电路中设置DC-AC逆变器(功率半导体)，从而产生正确频率的交流电(图6)。最终，通过变压器转换为电网的电压，效率从原来的89%提高到了90%。

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图6 传统方式(上)采用齿轮箱提高转速，产生交流电，在抵消其波动后输送至电网。直接方式(下)将产生的交流电转变为稳定的直流电，进而通过功率半导体产生稳定的交流电。

使用半导体能够准确地产生所需的电压，因此例如富士电机，为了去除重量和体积较大的变压器，通过在多级结构中采用功率半导体的DC-AC逆变器来提高电压，将转换效率进一步提高到93%。效率越高，损失就越少，越能提供足够的电力。

然而，功率晶体管在工作时会产生热量，因此需要进行充分冷却，大多情况下使用高效的水冷法。因此，在IGBT和SiC MOSFET等高耐压且大电流的晶体管模组中，需要一种高可靠性的热设计以防止液体泄漏。

最近，将GaN制成纵型结构以获得与SiC相同的性能的研究也在积极进行中，此外，氧化镓（Ga₂O₃）这种新材料也成为功率晶体管的候补，因为其能隙比SiC大，可以进行高温工作，同时绝缘耐压性能优异。但是目前，Ga₂O₃的电子迁移率(表示电流通过容易度)仅为75cm²/Vs，是硅MOS晶体管的1/6，因此应用前景尚不明确。

新一代风力发电——海上风力发电

在日本，以新能源产业技术综合开发机构（NEDO）为中心，对海上风力发电进行了研究，目前正在探讨将多个海上发电站的电力以直流方式输送到陆地(图7)。在现有的交流输电方式中，会在输电线周围产生磁场，导致损耗增加；而如果通过海底电缆输送由海上发电站产生的交流电力，则会因发热而产生损失，输电线的距离越长用于弥补损失的技术成本就越高。因此，得出的结论是直流输电更有利。当然，超导直流输电是最理想的，但这种方式至少要冷却到-196℃，因此在成本上是不现实的。

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图7 新一代海上风力发电站的直流输电探讨

根据NEDO的估算，在直流输电的情况下，建设直流转换站点会产生初期成本，但在海上发电中，50km将成为盈亏平衡点，即输电距离超出50km时直流输电成本更低。实际上，欧洲已经开始推进海上发电项目，并设置了几个站点。如图7所示，日本提出以下构想：利用海底电缆的直流输电技术，从距福岛海岸线10km的区域向需求较多的神奈川县海域输送电力。

通过风力涡轮机产生的是交流电，进行直流输电时需要将其转换为直流电，此时需要使用到半导体功率晶体管。向高电压的电网输送时，不是直接转换为高电压，而是分2~3个阶段升压后输送。因此，高耐压的SiC备受期待。如果使用SiC，可以减少系统损耗，大幅缩小笨重的变压器和电感器。

水力发电也通过功率调节器控制

作为可再生能源的水力发电正在从曾经的大规模发电向中小规模发电转变。以前的水力发电是先建造水坝蓄水，利用水的下落来带动涡轮旋转。但由于水坝对环境的影响，以及来自附近居民的反对等，大规模的水力发电设施已经很难再新建了。不过最近，地区内的地产地销型中小规模水力发电变得活跃起来。

而即便是几十kW~1MW的小规模发电，只要向地区的电网供给电力，就必须调整好电压和频率。因此，与风力发电一样，水力发电也需要功率调节器。在水力发电过程中，由于通过水轮驱动永磁发电机产生的交流电的波动较大，因此不能直接输送到电网。针对该问题，需要先将水力发电产生的电力转换为直流电，再使用功率半导体，通过脉冲幅度调制（PWM）等的控制，从稳定的直流电路中产生稳定频率的交流电，然后输送到电网。

因此，在地产地销型中小规模水力发电中，除了通过水能转动叶片的转子、发电机之外，也需要配套功率调节器。以明电舍公司为例，以0.255m³/s的水流量驱动涡轮(转子)旋转，永磁发电机以1070r/min的转速转动，产生63kW的最高功率，但这样电力无法直接输送到电网，需要通过功率调节器转换为高精度的60Hz交流电(58kW)后输送。虽然由于通过功率调节器时会损失部分电能，导致输出功率会下降到58kW，但即便如此效率也很高。

中小规模水力发电成为电力公司收购可再生能源电力的FIT(固定价格收购制度)的对象。经济产业省资源能源厅表示，截至2017年3月底，共有1120MW(598台)的中小规模水力发电设备通过了FIT认证，其中的24kW(285台)已开始运转。

蓄电系统也需要功率调节器

将以上介绍的太阳能、风力、水力、或潮汐力等可再生能源发电产生的电力接入电网时必须使用功率调节器。

同样地，在用于蓄电的电池系统中，为了将产生的电力接入电网，也需要功率调节器。不仅仅是将电池的直流电简单地转换成交流，还必须与电网的电压，以及50Hz或60Hz的频率完全一致。

美国电动汽车(EV)制造商特斯拉销售的家用蓄电池“Powerwall”不仅可以储存电力，还配备有功率调节器，以便将电能从电池供给至电网。该功率调节器也可以与太阳能面板直接连接，因此可以在太阳能电池和电网之间接收和供给电力。

EV车载电池的再利用

特斯拉不仅销售EV，还销售家用蓄电池。EV用电池系统在反复充放电过程中会劣化，导致电池容量下降。虽然仍可以继续使用，但是续航距离(一次充满电可以持续行驶的距离)会变短。因此，当电池容量降低至最初的80%左右时，可将其作为家用电池进行再利用，因为家用电池只要不失去蓄电能力，就可以长期使用。

汽车行业开始整体向电动化转型，其核心技术是电池。就连一直以来对EV持消极态度的美国通用汽车也在2022年的国际消费类电子产品展览会（CES）主题演讲中表示，不仅将推出EV的产品阵容，还将自行开发电池模组和小型单电池。毫无疑问，一旦汽车行业自行开发出锂离子单电池，电池系统的再利用也将纳入考虑战略。如果EV用电池大规模再利用的用途是家用电池的话，那么功率调节器在未来也有可能拥有巨大的市场。

如果今后家用电池系统中统一安装可再生能源功率调节器，那么将为功率半导体带来巨大的市场。此外，2030年代可能迎来EV的全盛时代，如果届时每家每户都拥有一台功率调节器的话，则对于半导体而言将是另一个巨大的市场。

走在时代前列的特斯拉提供太阳能面板、蓄电池、功率调节器一体化的系统，作为家用、商用和产业用能源系统，此外还提供配备有蓄电池和功率调节器的电网用能源系统。前者用于近畿日本铁路和内华达州酿造厂，后者用于电力储存和发电、微电网，目前两者合计售出1000套，遍布50个国家，提供10GWh容量的电力。

[参考资料]

1.“水力发电是供应稳定性优异的可再生能源”，日本经济产业省资源能源厅，2018年1月30日

半导体技术推进可再生能源利用