光伏繼續高歌猛進 碳化硅開啟廣泛合作 光伏為何擁抱SiC？

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

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

光伏繼續高歌猛進?

碳化硅開啟廣泛合作

今年上半年，光伏產業繼續高速增長。7月19日，國家能源局發布數據稱，2023年1-6月我國新增光伏裝機78.42GW，比去年同期（30.88GW）增長了153.95%，接近2022年全年新增裝機量（87.41GW）。

相關數據顯示，2022年全球新增光伏裝機容量為239GW，同比增長45%。預計2023年又將是“繁榮年”，2023全年預計新增光伏裝機容量達到341GW，同比增長43%左右。

逆變器是光伏發電系統中的關鍵組件之一，全球光伏行業高速增長必然帶動逆變器市場發展。

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40.31%。

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

功率半導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節（如下圖所示）。

光伏逆變器主流的功率半導體是硅基IGBT，相關數據顯示，2022年全球風光儲IGBT市場規模為72.3億元，同比增長33.2%，預計2025年有望達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采用碳化硅二極管替代硅基器件。據了解，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，已經累計使用超過150萬顆碳化硅功率器件。

蓉矽半導體正在大力開拓光伏逆變器市場，該公司副總經理高巍博士認為，碳化硅二極管在光伏逆變器中技術優勢顯著而且性價比突出。以蓉矽產品為例，相較硅基FRD器件，在11kW光伏逆變器應用中，其NovuSiC EJBS可將系統總損耗降低約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?；瘧?。

愛仕特科技已經捕捉到光伏機遇，該公司銷售經理鄭國慧透露，他們公司已接到多家光伏企業的量產訂單，并且已經為國內多家知名光伏逆變器企業累計交付近百萬只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。據他判斷，“預計很快SiC MOSFET將會成為太陽能光伏領域主要功率器件，帶動產業鏈整體實現迭代升級?！?/p>

今年5月份，“行家說三代半”在參觀SNEC2023展時發現，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品都采用了碳化硅技術。

事實上，今年以來，多家光伏逆變器廠商都發布基于碳化硅方案的新產品，或者與碳化硅企業展開合作。

蓉矽高巍認為，在光伏裝機量持續攀升的背景下，碳化硅有著非?？捎^的市場增量。

據行業機構預測，預計2025年光伏逆變器碳化硅的市場規模將達到3.14億美元（約22.5億人民幣），滲透率將高達50%，屆時我國光伏碳化硅的需求量將達到16萬片。

碳化硅優勢：

提升功率密度、匹配1500V光伏系統

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。

而且隨著光伏產業邁入“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，碳化硅可提升系統功率密度

根據華為的說法，隨著碳化硅、氮化鎵材料、芯片散熱、拓撲架構技術的發展，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一步下降，預計2025年逆變器功率密度將提升50%以上。

蓉矽高巍認為，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換效率、高功率密度、低能量損耗，系統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勢正日益受到光伏逆變器市場的關注。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年發布的125kW碳化硅光伏逆變器體積相比公司之前的產品大幅縮小。

面向1000V直流電壓光伏系統，愛仕特科技圍繞著更高效率、更高電壓、更低成本、更低故障率進行技術升級，開發了1200V SiC MOSFET及EasyPACK、EasyPIM模塊產品。

愛仕特科技銷售經理鄭國慧表示，目前愛仕特科技的第四代SiC MOSFET工藝已研發成功，大幅度地提高了溝道遷移率，同時還推出了低閾值工藝，12V完全開通的產品已經進入測試階段，可以兼容市場上眾多的驅動IC，應用方案也將更加簡化，可以更好地適應于智能電網的固態變壓器的材料需求，簡化固態變壓器的電路結構，減小散熱器空間，并通過提升開關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也非常具有優勢，可以滿足組串式光伏應用場景。在相同的開關頻率下，蓉矽的產品總損耗可降低50%；在相同的損耗下，開關頻率可提升至2倍。

●其次，碳化硅與1500V直流電壓更匹配

華為認為，提升光伏系統電壓是降低LCOE的重要途徑，目前光伏逆變器直流電壓已經從600V向1000V和1500V轉變，2000V案例也已經落地。

相比1000V系統，1500V系統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光伏系統可以節省約30%的成本，度電成本可降低30%。

根據光伏協會數據，1500V系統逐漸成為市場主流，2022 年國內1500V系統的市占比率為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。

據分析，光伏系統電壓從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效率可達到98.6%。如果把硅基IGBT換成SiC MOSFET，系統效率還可提升0.6%-0.7%。

此外，采用SiC MOSFET還可以降低光伏逆變器系統成本。據分析，以300 kW、1500V系統的光伏逆變器為例，用2顆1200V SiC MOSFET取代950V硅基IGBT模塊，預計每千瓦可節省約5%-10%的成本。

針對1500V系統光伏逆變器，愛仕特科技已經推出了全系列的碳化硅MOS，包括1700V 20mΩ、1700V 1Ω及EasyPACK、EasyPIM模塊產品，并且已通過相關電性能測試評估及可靠性考核，綜合特性達到國際先進水平。該公司銷售經理鄭國慧表示，“愛仕特科技模塊產品實現功率密度最大化，并在標準尺寸內簡化設計，顯著加快新一代產品的生產和推出，賦能包括非車載充電和太陽能解決方案在內的眾多快速增長的工業市場?！?/p>

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行了最優折中。

可減75%器件

碳化硅簡化光伏設計

光伏逆變器主要有2種轉換器拓撲結構：兩電平和多電平（尤其是三電平），當電壓等級從1000V轉向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，兩電平拓撲的開關頻率最高僅為5-10 kHz，因此需要采用3電平拓撲結構來降低IGBT損耗，提高開關頻率。但是，三電平拓撲結構帶來了一些挑戰，如復雜的控制、更多的器件數量、機電設計、潛在的破壞性開關狀態等。

萬幫數字能源公司智慧能源產品線電子主管賈曉宇表示，一個1000KW工商業儲能變流器的功率模塊通常需要使用44顆IGBT芯片，內部結構非常復雜。

因此，為了簡化系統設計，需要采用碳化硅器件，來開發創新的三電平和兩電平拓撲電路。

據賈曉宇透露，他們通過使用碳化硅開發了“T”形拓撲結構，通過使用碳化硅，整個拓撲只有4個開關，只有12顆芯片，芯片數量僅為IGBT方案的1/4左右，實現成本和效率的平衡。

另一方面，光伏廠商也在探索1500V的兩電平結構。但傳統1000V系統的兩電平逆變器已經不適用，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、更快的開關能力、更高的電壓阻斷能力，以及更低的宇宙射線導致的故障率，因此，預計基于1700 V SiC的兩電平逆變器在1500V光伏系統中將得到廣泛應用。

上能電氣項目經理鹿明星甚至提出，對于1500V光伏系統或者未來的2000V、3000V光伏系統，需要借助2000V的SiC MOSFET來開發二電平拓撲，而不需要三電平或者多電平，這樣的結構更簡單，系統可靠性更高。

應對高頻挑戰

SiC PIM模塊有良策

前面提到，由于動態損耗等原因，IGBT僅限于低頻拓撲設計；雖然SiC MOSFET可以高頻開關動態損耗較低，然而SiC MOSFET的dV/dt和 di/dt比IGBT高得多，因此，需要采用仔細去耦的高頻布局技術，以避免運行不可靠和過度的 EMI。

而且對于1500V光伏系統，由于1700V SiC MOSFET較高的開關速度和換向回路中的雜散電感，在兩電平拓撲結構應用時會存在有限的電壓閉鎖裕量問題，需要特別考慮SiC MOSFET開關瞬態期間的電壓過沖。

為此，江西萬年芯公司認為，基于碳化硅的 PIM 模塊可以為1500V光伏系統提供更簡單的拓撲設計。

PIM是一種行業標準外殼，可容納多個開關，有時包括二極管，甚至包括驅動器和保護電路。借助 PIM，單個封裝可為轉換器和逆變器功能提供完整的功率級。

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

而且除了節能之外，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，從而節省成本和重量。此外，SiC-PIM模塊還可以減少EMI濾波，從而進一步節省成本。

萬年芯副總經理石海忠表示，他們針對光伏等領域推出了首款基于SiC MOSFET技術的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裝配時間和器件數量，能夠降低系統成本和尺寸。

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

這款SiC MOSFET PIM模塊的最大連續工作結溫可達到175℃，通過采用SiC MOSFET替代硅基IGBT，這款PIM模塊的整體電路拓撲更為簡單，模塊體積減少約57％，同時熱導率比硅基PIM封裝提高30％。

審核編輯：劉清