【導讀】經過長期的技術發(fā)展——特別是在生態(tài)危機、化石能源困境等多個重大關鍵課題的刺激下，太陽能在以轉換效率和成本為核心的技術和商業(yè)兩方面的關鍵難點上取得了巨大突破。太陽能是可再生能源和可持續(xù)電力設施改造的關鍵形式、實現碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識，也是美國、歐盟等經濟發(fā)達國家目前所處的實際情況。同時，中國也在出臺相應的政策指導方針，大幅增加光伏發(fā)電裝置的數量。為光伏發(fā)電系統選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。

Part1 光伏發(fā)電應用與功率轉換

以設施等級為劃分依據，太陽能應用通常分為三類：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業(yè)，xMW ~ xGW。由于太陽能應用廣泛，且具有可擴展性，太陽能發(fā)電的相應功率轉換有幾種不同的方案可供選擇：

在轉換效率方面，有用于適應太陽輻射并根據電池溫度調節(jié)輸出的連續(xù)控制單元；考慮到相對發(fā)電成本和用電容量，有用于離網型發(fā)電的分布式微電網和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當光伏板數量增加時，系統的孤島風險和并網設備的低電壓穿越（LVRT）會使得光伏發(fā)電的配置方案更復雜多變。

濾波電感、升壓電感、電源變壓器、電抗器等磁性元件除了應用于相應的功率轉換之外，在其他方面也廣泛應用；尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，磁性元件成本更高（按百分比計），因此為光伏發(fā)電系統選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。

Part2 系統中光伏發(fā)電及功率轉換的原理

1 半導體基礎

由于光電轉換效率的關鍵要求，單晶硅異質結（HIT）太陽能電池（N襯底）是目前的重點發(fā)展類型（效率在25%左右）。目前占據安裝規(guī)模的主要份額的類型仍然是鋁背場（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發(fā)和生產能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來新裝的太陽能電池將以HIT型為主。

在本征半導體中，P型或N型半導體通過摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發(fā)內部原子產生更多的電子-空穴對。當不同類型的半導體形成PN結時，n型端在內部擴散電場的作用下會積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅動電壓并成為電源，即電池。這種內部光電效應稱為光伏效應。

相反的現象是LED通過電子空穴復合產生電光。兩者的PN結工作狀態(tài)為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅動電流，低功率密度），LED為負載（產生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結構和尺寸而無法通過大電流（燒壞）。相關二極管結構、電路符號及等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池（HIT）和LED的結構、符號和等效電路

常見的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：

其中：

i_sc—光照射產生的激發(fā)電流；

i_Do—PN結的飽和電流；

q–電子電荷為1.6×10^?19C中；

K–玻爾茲曼常數為1.38×10^?23J/K；

A–1～2之間的理想常數；

T–PN結溫度

q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強度而變化；通常