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碳化硅“备战”光伏市场
来源:中国电子报 作者:张心怡 时间:2023/3/21 
在能源电子产业加速发展的背景下,全球光伏装机量持续攀升,为碳化硅带来可观的市场增量。Yole研报预计,应用于光伏发电及储能的碳化硅市场规模将在2025年达到3.14亿美元,2019—2025年复合增长率为17%。同时,光伏组件功率密度的持续提升,也对碳化硅器件性能提出了更高的要求。要抓住光伏带来的市场机遇,碳化硅厂商还需要在产品综合性能、制备良率、供应链协作等多个维度发力。

碳化硅高度契合光伏逆变器演进方向

光伏逆变器将光伏面板产生的直流电转化为交流电以用于电网,是太阳能光伏发电系统的核心部件。光伏逆变器的转化效率,直接影响整个光伏系统的发电效率。

宽禁带半导体的长处正是更高的能源转化效率,其性能优势与光伏逆变器的迭代需求有着较高的契合度。华为发布的智能光伏十大趋势显示,光伏电站向大功率、高可靠性发展已成为趋势。以光伏逆变器为例,直流电压已经由1100V提升到1500V。通过碳化硅、氮化镓等新材料的应用,以及将数字技术与电力电子技术、热管理技术等充分结合,预计未来5年逆变器的功率密度将再提升50%。

基本半导体工业业务部总监杨同礼向《中国电子报》记者表示,随着太阳能电池板的尺寸和功率密度逐步增加,传统的硅基器件已不能满足光伏逆变器MPPT(最大功率点跟踪)电路在效率和发热方面的需求,各方面性能更优越的碳化硅功率器件上场应用成为必然趋势。“相对硅器件而言,碳化硅功率器件能为光伏逆变器带来更高的转换效率、更低的能量损耗,从而有效缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。”

安森美应用市场工程师贾鹏也向《中国电子报》表示,基于碳化硅的光伏逆变系统能够在效率、体积和重量上做得更好。宽禁带材料的优异特性允许基于其制造的半导体器件在高频高温高压下工作,高频意味着更小的电感体积和高频条件下仍能接受的损耗,高温意味着更好的散热能力和更加紧凑的系统布局,高压则代表着更高的母线电压,将更大的传输功率或更小的由传输电流带来的线路损耗变为可能。

对标光伏需求提升多项技术指标

面向光伏逆变器功率更大、效率更高、体积更小、成本更低,以及组串式逆变器配置灵活、易于安装的发展方向,碳化硅供应商从多个技术指标入手,持续提升器件性能。

提升光伏逆变器的最大直流母线电压,将提升光伏变电站的成本效益,这对碳化硅功率器件的电压等级提出了更高的要求。在1100V的直流系统中,功率级别一般在8kW—150kW之间,100kW的低功率和中功率系统通常使用1200V和650V开关。当光伏逆变器从1100V做到1500V,功率器件的工作电压也随之提升。例如安森美的EliteSiC系列(包括碳化硅MOSFET、碳化硅二极管),耐压范围为650V-1700V,可以覆盖目前的1100V和1500V的光伏逆变器系统。其中1700V SiC MOSFET对应1500V直流母线的光伏逆变器产品。

而更高的功率密度,是光伏逆变器主要的升级方向,也考验着碳化硅器件的综合性能。比如基本半导体的第二代碳化硅MOSFET在比导通电阻、开关速度、开关损耗以及成本上进行了改善,以进一步提升客户端光伏逆变器的功率密度。在碳化硅功率模块方面,基本半导体推进工业级碳化硅二极管模块、MOSFET模块以及混合模块的开发,以满足百千瓦级别以上更高功率的光伏逆变器的应用需求。安徽芯塔电子也在新一代SiC MOSFET提升了器件的功率密度和效率,对比前一代产品具有更小的芯片尺寸、更低的米勒电容、更高的抗干扰能力,以更好地满足光伏储能对提升性价比、改善器件动态特性以及降低开关损耗的需求。

缩小体积以降低成本也是光伏逆变器的演进趋势,尤其体现在微型逆变器和组串式逆变器上,碳化硅器件也需要做得更加紧凑并解决由此带来的散热问题。安森美推出了首款TOLL封装650V SiC MOSFET,适配小尺寸高功率密度的产品,TOLL封装的尺寸仅为9.9mm×11.68mm,比D2PAK封装的PCB面积节省30%,同时具有更好的散热和寄生电感。

此外,组串式逆变器模块化、灵活可配置的特点,也需要碳化硅厂商提供更加灵活便捷的解决方案。英飞凌面向组串式逆变器的需求,推出了由950V IGBT7和1200V碳化硅二极管构成的MPPT模块,采用了PressFIT压接技术以降低安装难度,并基于Easy模块技术,让客户可以在不同的拓扑结构、电压等级、封装和技术之间进行选择。

抓住市场增量考验厂商综合能力

要抓住光伏带来的市场机遇,碳化硅厂商需要在产品综合性能、制备良率、供应链协作等多个维度发力。

“由于光伏逆变器所处的户外环境比较恶劣,以及运行周期长等原因,行业对碳化硅功率器件的可靠性等综合性能的要求更加严苛,加之光伏行业竞争激烈,客户不断追求性价比,非常考验碳化硅企业的综合竞争力。”杨同礼说。

贾鹏也向记者指出,碳化硅是世界上第三硬的复合材料,且非常易碎,因此要注重碳化硅制备过程中的良率和质量。

“随着碳化硅技术的不断成熟和降本,大部分光伏逆变器中的超结MOSFET和IGBT会被替代,这对于整条碳化硅产业链来说是一个巨大的市场。然而,在扩大量产能力的同时保持良率和质量对于任何一家半导体公司都是一种挑战,因此半导体企业会持续投资建厂或与龙头客户签订长期供应协议。如安森美等提供从晶圆到方案的碳化硅供应商,除了做好生产供应之外,还需要和客户一起研究实际应用中碰到的问题,比如碳化硅替代后的散热方案以及高频工作带来的其它干扰等等。”贾鹏说。

同样值得注意的是,国内碳化硅产能还未大规模释放,在布局光伏的过程中,要注重与本地产业链的协作,利用好贴近市场的优势。

安徽芯塔电子科技有限公司市场经理周骏峰向《中国电子报》表示,国内碳化硅产业链都在积极扩产,但产能等方面与国际巨头尚有差距。国内碳化硅产业要依靠国内产业链的合作与深度协同,才能更好地与国际巨头竞争。例如,芯塔电子的SiC MOSFET产品未来会朝着15V驱动迭代,因为国内驱动芯片厂商大多供应15V的驱动芯片,配套容易,使客户可以充分利用 SiC MOSFET 的优势。

“基于对客户终端应用的深刻理解,提前挖掘终端应用蓝海市场,精准定义新产品,率先开发出有特色的功率器件和模块,才能确保早期蓝海市场的红利。”周骏峰说。
责任编辑:myadmin
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