在“碳中和”背景下，大力發(fā)展太陽能光伏等清潔能源產(chǎn)業(yè)已是大勢(shì)所趨。中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)最新報(bào)告顯示，2021年我國光伏新增裝機(jī)達(dá)54.88GW，同比增長13.9%，創(chuàng)歷史新高。歐美等國對(duì)光伏發(fā)電的投入也在不斷提高，2021年全球光伏新增裝機(jī)達(dá)到170GW。

IGBT作為光伏逆變器（直流轉(zhuǎn)交流）的重要組成部分，在光伏等領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。隨著光伏裝機(jī)量的持續(xù)增長，對(duì)IGBT的需求也迅速攀升。近來，市場上就不斷有關(guān)于國際大廠IGBT賣斷貨的消息傳出，這種形勢(shì)也為國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了契機(jī)。

2025年光伏IGBT市場規(guī)模將達(dá)百億元

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)熱潮不斷。2021年我國新增光伏發(fā)電裝機(jī)量達(dá)到54.88GW，連續(xù)9年穩(wěn)居世界首位。中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)還預(yù)計(jì)2022 年我國光伏新增裝機(jī)量將達(dá)75G～90GW，2022-2025 年我國年均新增光伏裝機(jī)量達(dá)到83GW～99GW。與此同時(shí)，出口市場也不斷增長。日前，歐盟發(fā)布能源獨(dú)立路線圖，力求從天然氣開始，在2030年前擺脫對(duì)俄羅斯的能源進(jìn)口依賴。3月15日，歐盟理事會(huì)通過了“碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（CBAM）”。專家認(rèn)為，歐洲大概率會(huì)加速光伏布局與應(yīng)用，今年歐盟光伏新增裝機(jī)量可能會(huì)超出預(yù)期。

在此情況下，作為光伏逆變器核心器件的IGBT，市場空間也被極大拓展。對(duì)此，賽晶科技董事會(huì)主席項(xiàng)頡就指出，目前世界各國對(duì)氣候變暖的嚴(yán)峻性和迫切性已經(jīng)有了共識(shí)，包含中國在內(nèi)的許多國家相繼出臺(tái)“碳中和”目標(biāo)。為了達(dá)成這一目標(biāo)，需要在發(fā)電、輸配電和用電等環(huán)節(jié)均采取相關(guān)的措施。這樣就需要在能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，以及配套的政策等諸多方面，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的綠色能源發(fā)展體系。作為光伏逆變器中的核心元器件，IGBT一定會(huì)受到這一市場發(fā)展的直接帶動(dòng)。

英飛凌相關(guān)負(fù)責(zé)人也表示，未來十年，電動(dòng)化和數(shù)字化將成為產(chǎn)業(yè)和社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。電動(dòng)化涉及發(fā)電、輸變電、儲(chǔ)能、用電在內(nèi)的電力價(jià)值鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，而光伏是其中的發(fā)電環(huán)節(jié)。包括IGBT在內(nèi)的功率半導(dǎo)體在整個(gè)電力價(jià)值鏈中扮演著重要角色。隨著電動(dòng)化的推進(jìn)，未來功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模將會(huì)不斷成長。

據(jù)介紹，光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的核心組件，可將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電，并配合一般交流供電的設(shè)備使用。光伏逆變器的性能可以影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的平穩(wěn)性、發(fā)電效率和使用年限。而在逆變電路中，都需使用IGBT等具有開關(guān)特性的半導(dǎo)體功率器件，控制各個(gè)功率器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)由變壓器藕合升壓或降壓，最終實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換。

值得注意的是，逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10年-15年，而光伏組件的運(yùn)營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內(nèi)至少需要更換一次。這也進(jìn)一步擴(kuò)大了IGBT在光伏系統(tǒng)中的使用量。

項(xiàng)頡估算，2021年中國光伏市場對(duì)IGBT的需求約為15億元。如果加上中國逆變器廠家出口逆變器的需求，這一規(guī)模近40億元。隨著市場對(duì)可再生能源需求的提升，對(duì)IGBT需求也將持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2025年，新增裝機(jī)容量加上替換裝機(jī)容量的IGBT需求將達(dá)百億元規(guī)模。

光伏IGBT對(duì)可靠性要求非常高

目前，車用市場與光伏系統(tǒng)是IGBT最大的兩個(gè)應(yīng)用市場，也最受行業(yè)關(guān)注。IGBT技術(shù)也在貼合這兩大市場的需求不斷發(fā)展。項(xiàng)頡表示，為了滿足電動(dòng)車電驅(qū)系統(tǒng)的輕量化和高功率密度，車用IGBT需要實(shí)現(xiàn)低功率損耗和高開關(guān)頻率。此外，電動(dòng)車的拓?fù)涫堑湫偷娜嗄孀兤鳂颍虼耍囯婒?qū)IGBT模塊一般采用6in1模塊封裝或者半橋模塊封裝。

相對(duì)而言，光伏電池板的電壓具有多樣性，因而光伏逆變器采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不相同，微型逆變器一般采用IGBT單管的分立器件方式；1000V組串光伏逆變器采用T型三電平模塊；1500V組串逆變器應(yīng)用的是I型三電平模塊；1500V集中式逆變器采用了半橋模塊來配置I型三電平拓?fù)洹Ｒ簿褪钦f，IGBT應(yīng)用在不同的光伏逆變器上時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)配置的實(shí)際需求選用不同特性和封裝的產(chǎn)品。

受應(yīng)用端的影響，IGBT也展現(xiàn)出不同的技術(shù)趨勢(shì)。首先光伏IGBT對(duì)于可靠性的要求會(huì)非常高。光伏是將直流電逆變到交流電，再上傳到電網(wǎng)。“這種線路不像工控領(lǐng)域，因?yàn)閾?dān)心過載，工控領(lǐng)域往往對(duì)IGBT模塊降壓使用，比如模塊的額定電流為100A，降等用于40A-50A。光伏逆變器企業(yè)基本上會(huì)把IGBT模塊性能用到極致，所以對(duì)IGBT芯片的可靠性要求也要高于工控領(lǐng)域。”有相關(guān)研發(fā)人員告訴記者。

對(duì)于光伏用功率模塊技術(shù)的發(fā)展，可以從芯片設(shè)計(jì)、封裝和模塊制造等幾個(gè)方面來展開，確保產(chǎn)品的可靠性。對(duì)于芯片技術(shù)，一是對(duì)硅IGBT和二極管等進(jìn)行性能的優(yōu)化和升級(jí)；二是采用SiC等新材料，其中組串逆變器對(duì)SiC二極管的需求已經(jīng)越來越廣泛。在封裝方面，需要滿足可靠性的要求，同時(shí)也需要考慮新器件的采用，比如使得SiC器件充分發(fā)揮性能的低雜散電感封裝等。在模塊的制造方面，需要采用嚴(yán)格的制造過程保證模塊的一致性和可靠性，同時(shí)需要采用綠色制造工藝和環(huán)保材料等，為可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

另一個(gè)值得注意的趨勢(shì)是，隨著近年來分布式光伏市場的迅速增長，將對(duì)IGBT單管提出更高要求。國家能源局2021年5月提出“在確保安全前提下，鼓勵(lì)有條件的戶用光伏項(xiàng)目配備儲(chǔ)能”“戶用光伏發(fā)電項(xiàng)目由電網(wǎng)企業(yè)保障并網(wǎng)消納”。在相關(guān)政策助力下，分布式光伏與配儲(chǔ)有望迎來規(guī)模化發(fā)展。分布式光伏主要采用IGBT單管解決方案。在需求的驅(qū)動(dòng)下，IGBT單管有望迎來一波新的發(fā)展。

碳化硅 IGBT將成為市場的寵兒

近年來，碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體在太陽能光伏系統(tǒng)中也有了越來越廣泛的應(yīng)用。瑞能半導(dǎo)體CEO Markus Mosen向記者指出，碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)品在能源應(yīng)用中將成為市場的“寵兒”，碳化硅功率半導(dǎo)體憑借其低功耗、長壽命、高頻率、體積小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在光伏等領(lǐng)域具備較強(qiáng)的替代潛力。

目前，SiC MOSFET和SiC二極管在光伏發(fā)電市場的應(yīng)用越來越多。得益于SiC材料的低損耗且能夠有效降低光伏發(fā)電的系統(tǒng)成本，SiC二極管在微型逆變器和組串逆變器上已經(jīng)得到驗(yàn)證以及應(yīng)用。隨著SiC晶圓成本的降低和良品率的提升，SiC MOSFET的成本持續(xù)降低。在可以預(yù)見的未來，SiC MOSFET的應(yīng)用也將擴(kuò)展到微型逆變器和組串逆變器當(dāng)中。下一步，碳化硅器件廠商將會(huì)開發(fā)適用于光伏逆變器應(yīng)用的高壓SiC MOSFET，使得SiC MEOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到大功率組串逆變器和集中式逆變器當(dāng)中。

相對(duì)而言，目前SiC IGBT受限于良品率與應(yīng)用場景等問題，還沒有規(guī)模化的商業(yè)應(yīng)用。對(duì)此，英飛凌負(fù)責(zé)人表示，SiC IGBT用于萬伏以上的高壓，尚處于研究階段，還未看到商業(yè)應(yīng)用。項(xiàng)頡也表示，目前業(yè)界的共識(shí)一般是在萬伏以上才會(huì)考慮應(yīng)用SiC IGBT。作為寬禁帶器件，在1萬伏以下的應(yīng)用場景中采用SiC MOSFET就可以滿足需求了。在萬伏以下應(yīng)用，SiC IGBT在性能沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)SiC IGBT的飽和壓降比SiC MOSFET的壓降更高，同時(shí)在制造工藝上，SiC IGBT更加復(fù)雜，成本也更高。

不過相關(guān)專家也指出，我國地域遼闊，經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展階段，對(duì)電力特別是光伏等清潔能源需求正在快速增長。隨著“西電東送”等超大型電力工程的持續(xù)推進(jìn)，研究和發(fā)展特高壓交流輸變電技術(shù)是十分必要的。相信能夠勝任高功率工作場景的SiC IGBT，未來同樣具有廣闊的發(fā)展空間。