今年上半年，光伏需求繼續(xù)飆升，中國新增光伏裝機(jī)增長153%，逆變器廠商也賺得“盆滿缽滿”，陽光電源、德業(yè)股份等7家企業(yè)營收同比增長超140%。

同時，陽光電源、科士達(dá)、歐陸通、上能電氣、禾邁股份、英威騰、邁格瑞能等眾多企業(yè)都在積極擁抱碳化硅，其中1家碳化硅企業(yè)還獲得了100萬顆的光伏逆變器訂單。

光伏繼續(xù)高歌猛進(jìn)?

碳化硅開啟廣泛合作

今年上半年，光伏產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。7月19日，國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)稱，2023年1-6月我國新增光伏裝機(jī)78.42GW，比去年同期（30.88GW）增長了153.95%，接近2022年全年新增裝機(jī)量（87.41GW）。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球新增光伏裝機(jī)容量為239GW，同比增長45%。預(yù)計2023年又將是“繁榮年”，2023全年預(yù)計新增光伏裝機(jī)容量達(dá)到341GW，同比增長43%左右。

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，全球光伏行業(yè)高速增長必然帶動逆變器市場發(fā)展。

2022年全球光伏逆變器總出貨量為326.6GW，同比2021年（218.5GW）增加近50%，而中國大陸的光伏逆變器總出貨量為131.668GW，占比高達(dá)40.31%。

2023年光伏逆變器增勢喜人，國內(nèi)逆變器廠商一季報顯示，陽光電源、德業(yè)股份、固德威、科士達(dá)、上能電氣、禾邁股份和昱能科技等企業(yè)營收同比均增長超140%。

功率半導(dǎo)體是光伏逆變器的核心器件，主要被用于DC/DC MPPT電路、DC/AC逆變電路以及輔助電源等環(huán)節(jié)（如下圖所示）。

光伏逆變器主流的功率半導(dǎo)體是硅基IGBT，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球風(fēng)光儲IGBT市場規(guī)模為72.3億元，同比增長33.2%，預(yù)計2025年有望達(dá)133.7億元，2022-2025年CAGR為22.8%。

不過，碳化硅在光伏逆變器市場中的需求也日漸旺盛。事實上，從2010年以來，光伏逆變器廠商就已經(jīng)采用碳化硅二極管替代硅基器件。據(jù)了解，2018年陽光電源年累計出貨了超過15萬臺使用碳化硅功率器件的光伏逆變器，已經(jīng)累計使用超過150萬顆碳化硅功率器件。

蓉矽半導(dǎo)體正在大力開拓光伏逆變器市場，該公司副總經(jīng)理高巍博士認(rèn)為，碳化硅二極管在光伏逆變器中技術(shù)優(yōu)勢顯著而且性價比突出。以蓉矽產(chǎn)品為例，相較硅基FRD器件，在11kW光伏逆變器應(yīng)用中，其NovuSiC EJBS可將系統(tǒng)總損耗降低約30%，硅基IGBT和SiC二極管溫升可分別降低6℃和13℃。

事實上，除了碳化硅二極管外，近年來SiC MOSFET也越來越多地被引入光伏逆變器中。以陽光電源為例，他們在2014年就推出采用SiC MOSFET的光伏逆變器，并于2017年規(guī)模化應(yīng)用。

愛仕特科技已經(jīng)捕捉到光伏機(jī)遇，該公司銷售經(jīng)理鄭國慧透露，他們公司已接到多家光伏企業(yè)的量產(chǎn)訂單，并且已經(jīng)為國內(nèi)多家知名光伏逆變器企業(yè)累計交付近百萬只SiC MOSFET，甚至這些客戶已開始采用愛仕特科技SiC功率模塊替代硅基IGBT模塊。據(jù)他判斷，“預(yù)計很快SiC MOSFET將會成為太陽能光伏領(lǐng)域主要功率器件，帶動產(chǎn)業(yè)鏈整體實現(xiàn)迭代升級。”

今年5月份，“行家說三代半”在參觀SNEC2023展時發(fā)現(xiàn)，例如英威騰XG PLUS、上能電氣320kW組串逆變器、邁格瑞能G2混合逆變器等眾多參展產(chǎn)品都采用了碳化硅技術(shù)。

事實上，今年以來，多家光伏逆變器廠商都發(fā)布基于碳化硅方案的新產(chǎn)品，或者與碳化硅企業(yè)展開合作。

蓉矽高巍認(rèn)為，在光伏裝機(jī)量持續(xù)攀升的背景下，碳化硅有著非常可觀的市場增量。

據(jù)行業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測，預(yù)計2025年光伏逆變器碳化硅的市場規(guī)模將達(dá)到3.14億美元（約22.5億人民幣），滲透率將高達(dá)50%，屆時我國光伏碳化硅的需求量將達(dá)到16萬片。

碳化硅優(yōu)勢：

提升功率密度、匹配1500V光伏系統(tǒng)

目前，SiC MOSFET價格大約是硅基IGBT的3-4倍，然而為何近期一片紅海的光伏逆變器卻跟碳化硅越走越近？甚至華為還在“光伏十大趨勢”的第一條就特別提到碳化硅。

而且隨著光伏產(chǎn)業(yè)邁入“大元件、大逆變器、大跨度支架、大組串”時代，碳化硅將“大行其道”。

●首先，碳化硅可提升系統(tǒng)功率密度

根據(jù)華為的說法，隨著碳化硅、氮化鎵材料、芯片散熱、拓?fù)浼軜?gòu)技術(shù)的發(fā)展，光伏逆變器的功率密度可以大幅提升，而且光伏度電成本進(jìn)一步下降，預(yù)計2025年逆變器功率密度將提升50%以上。

蓉矽高巍認(rèn)為，碳化硅器件與光伏逆變器的迭代方向高度契合，因為光伏逆變器市場正朝著高轉(zhuǎn)換效率、高功率密度、低能量損耗，系統(tǒng)體積縮小的方向迭代，而碳化硅功率器件具備高頻、高溫、高壓等優(yōu)勢。

盡管碳化硅器件的成本高于硅器件，但基于碳化硅的解決方案在效率、尺寸、重量和可靠性方面的優(yōu)勢正日益受到光伏逆變器市場的關(guān)注。一些研究表明，采用碳化硅可以減少無源器件等方面成本，使用碳化硅的逆變器可以比硅基逆變器輕3-10倍，從而可降低安裝成本。

Kaco公司曾做過對比，他們2018年發(fā)布的125kW碳化硅光伏逆變器體積相比公司之前的產(chǎn)品大幅縮小。

面向1000V直流電壓光伏系統(tǒng)，愛仕特科技圍繞著更高效率、更高電壓、更低成本、更低故障率進(jìn)行技術(shù)升級，開發(fā)了1200V SiC MOSFET及EasyPACK、EasyPIM模塊產(chǎn)品。

愛仕特科技銷售經(jīng)理鄭國慧表示，目前愛仕特科技的第四代SiC MOSFET工藝已研發(fā)成功，大幅度地提高了溝道遷移率，同時還推出了低閾值工藝，12V完全開通的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入測試階段，可以兼容市場上眾多的驅(qū)動IC，應(yīng)用方案也將更加簡化，可以更好地適應(yīng)于智能電網(wǎng)的固態(tài)變壓器的材料需求，簡化固態(tài)變壓器的電路結(jié)構(gòu)，減小散熱器空間，并通過提升開關(guān)頻率來提高單位功率密度。

而相較IGBT方案，蓉矽的1200V NovuSiC EJBS和NovuSiC MOSFET也非常具有優(yōu)勢，可以滿足組串式光伏應(yīng)用場景。在相同的開關(guān)頻率下，蓉矽的產(chǎn)品總損耗可降低50%；在相同的損耗下，開關(guān)頻率可提升至2倍。

●其次，碳化硅與1500V直流電壓更匹配

華為認(rèn)為，提升光伏系統(tǒng)電壓是降低LCOE的重要途徑，目前光伏逆變器直流電壓已經(jīng)從600V向1000V和1500V轉(zhuǎn)變，2000V案例也已經(jīng)落地。

相比1000V系統(tǒng)，1500V系統(tǒng)可以減少線纜的損耗以及施工成本。以組串式2.5MW光伏電站為例，1500V光伏系統(tǒng)可以節(jié)省約30%的成本，度電成本可降低30%。

根據(jù)光伏協(xié)會數(shù)據(jù)，1500V系統(tǒng)逐漸成為市場主流，2022 年國內(nèi)1500V系統(tǒng)的市占比率為47.4%，在大功率光伏電站的滲透率有望超70%以上。

愛仕特科技認(rèn)為，光伏電站電壓等級從1000V提升至1500V以上，耐高壓SiC功率元件將在組串式和集中式逆變器中大展身手。

據(jù)分析，光伏系統(tǒng)電壓從1000V升至1500V，硅基器件可能不符合市場需求。DC-DC兩電平Boost和三電平Boost測試對比顯示，工作頻率為20KHz情況下，硅基IGBT+硅FRD效率約96%，硅基IGBT+碳化硅SBD效率可達(dá)到98.6%。如果把硅基IGBT換成SiC MOSFET，系統(tǒng)效率還可提升0.6%-0.7%。

此外，采用SiC MOSFET還可以降低光伏逆變器系統(tǒng)成本。據(jù)分析，以300 kW、1500V系統(tǒng)的光伏逆變器為例，用2顆1200V SiC MOSFET取代950V硅基IGBT模塊，預(yù)計每千瓦可節(jié)省約5%-10%的成本。

針對1500V系統(tǒng)光伏逆變器，愛仕特科技已經(jīng)推出了全系列的碳化硅MOS，包括1700V 20mΩ、1700V 1Ω及EasyPACK、EasyPIM模塊產(chǎn)品，并且已通過相關(guān)電性能測試評估及可靠性考核，綜合特性達(dá)到國際先進(jìn)水平。該公司銷售經(jīng)理鄭國慧表示，“愛仕特科技模塊產(chǎn)品實現(xiàn)功率密度最大化，并在標(biāo)準(zhǔn)尺寸內(nèi)簡化設(shè)計，顯著加快新一代產(chǎn)品的生產(chǎn)和推出，賦能包括非車載充電和太陽能解決方案在內(nèi)的眾多快速增長的工業(yè)市場。”

蓉矽高巍表示，他們的2000V耐壓SiC二極管和MOSFET，一方面可以滿足1500V光伏逆變器系統(tǒng)的工作要求，同時還避免了裕量過剩、成本過高的問題，可以說在性能和成本這兩方面進(jìn)行了最優(yōu)折中。

可減75%器件

碳化硅簡化光伏設(shè)計

光伏逆變器主要有2種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：兩電平和多電平（尤其是三電平），當(dāng)電壓等級從1000V轉(zhuǎn)向1500V，硅基IGBT的劣勢將會比較明顯。

以100 kW左右中等功率逆變器為例，受到硅基IGBT開工損耗限制，兩電平拓?fù)涞拈_關(guān)頻率最高僅為5-10 kHz，因此需要采用3電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來降低IGBT損耗，提高開關(guān)頻率。但是，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來了一些挑戰(zhàn)，如復(fù)雜的控制、更多的器件數(shù)量、機(jī)電設(shè)計、潛在的破壞性開關(guān)狀態(tài)等。

萬幫數(shù)字能源公司智慧能源產(chǎn)品線電子主管賈曉宇表示，一個1000KW工商業(yè)儲能變流器的功率模塊通常需要使用44顆IGBT芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

因此，為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，需要采用碳化硅器件，來開發(fā)創(chuàng)新的三電平和兩電平拓?fù)潆娐贰?/p>

據(jù)賈曉宇透露，他們通過使用碳化硅開發(fā)了“T”形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過使用碳化硅，整個拓?fù)渲挥?個開關(guān)，只有12顆芯片，芯片數(shù)量僅為IGBT方案的1/4左右，實現(xiàn)成本和效率的平衡。

另一方面，光伏廠商也在探索1500V的兩電平結(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)1000V系統(tǒng)的兩電平逆變器已經(jīng)不適用，這主要是由于采用1700V IGBT的功率損耗高、濾波工作也會大大增加，還要避免宇宙射線導(dǎo)致的故障率等等。

由于SiC器件具有更低的功率損耗、更快的開關(guān)能力、更高的電壓阻斷能力，以及更低的宇宙射線導(dǎo)致的故障率，因此，預(yù)計基于1700 V SiC的兩電平逆變器在1500V光伏系統(tǒng)中將得到廣泛應(yīng)用。

上能電氣項目經(jīng)理鹿明星甚至提出，對于1500V光伏系統(tǒng)或者未來的2000V、3000V光伏系統(tǒng)，需要借助2000V的SiC MOSFET來開發(fā)二電平拓?fù)洌恍枰娖交蛘叨嚯娖剑@樣的結(jié)構(gòu)更簡單，系統(tǒng)可靠性更高。

應(yīng)對高頻挑戰(zhàn)

SiC PIM模塊有良策

前面提到，由于動態(tài)損耗等原因，IGBT僅限于低頻拓?fù)湓O(shè)計；雖然SiC MOSFET可以高頻開關(guān)動態(tài)損耗較低，然而SiC MOSFET的dV/dt和 di/dt比IGBT高得多，因此，需要采用仔細(xì)去耦的高頻布局技術(shù)，以避免運行不可靠和過度的 EMI。

而且對于1500V光伏系統(tǒng)，由于1700V SiC MOSFET較高的開關(guān)速度和換向回路中的雜散電感，在兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用時會存在有限的電壓閉鎖裕量問題，需要特別考慮SiC MOSFET開關(guān)瞬態(tài)期間的電壓過沖。

為此，江西萬年芯公司認(rèn)為，基于碳化硅的 PIM 模塊可以為1500V光伏系統(tǒng)提供更簡單的拓?fù)湓O(shè)計。

PIM是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外殼，可容納多個開關(guān)，有時包括二極管，甚至包括驅(qū)動器和保護(hù)電路。借助 PIM，單個封裝可為轉(zhuǎn)換器和逆變器功能提供完整的功率級。

測試結(jié)果顯示，采用SiC-PIM模塊的光伏升壓轉(zhuǎn)換器總損耗約為硅基IGBT-PIM模塊的三分之一，結(jié)溫更低，可靠性更高。

而且除了節(jié)能之外，SiC-PIM模塊還可以減少光伏逆變器的尺寸和散熱需求，相比硅基PIM模塊，其額定工作溫度可降低25°C，升壓電感器可減少約三倍，從而節(jié)省成本和重量。此外，SiC-PIM模塊還可以減少EMI濾波，從而進(jìn)一步節(jié)省成本。

萬年芯副總經(jīng)理石海忠表示，他們針對光伏等領(lǐng)域推出了首款基于SiC MOSFET技術(shù)的PIM模塊，通過將SiC MOSFET、檢測電阻等元器件集成在一起，這種單封裝可大幅減少生產(chǎn)裝配時間和器件數(shù)量，能夠降低系統(tǒng)成本和尺寸。

據(jù)石海忠介紹，這款SiC MOSFET PIM模塊擁有非常多的自主創(chuàng)新，例如采用多種自主創(chuàng)新的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，使用了熱敏電阻芯片（NTC）的高效貼片工藝，優(yōu)化了高性能AMB基板布線設(shè)計和面積，達(dá)到了更高的可靠性和更低成本，并優(yōu)選了有壓燒結(jié)銀封裝材料和水冷銅針座散熱器。

這款SiC MOSFET PIM模塊的最大連續(xù)工作結(jié)溫可達(dá)到175℃，通過采用SiC MOSFET替代硅基IGBT，這款PIM模塊的整體電路拓?fù)涓鼮楹唵危K體積減少約57％，同時熱導(dǎo)率比硅基PIM封裝提高30％。

審核編輯：劉清