今年上半年,光伏需求繼續(xù)飆升,中國(guó)新增光伏裝機(jī)增長(zhǎng)153%,逆變器廠商也賺得“盆滿缽滿”,陽(yáng)光電源、德業(yè)股份等7家企業(yè)營(yíng)收同比增長(zhǎng)超140%。
同時(shí),陽(yáng)光電源、科士達(dá)、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(wàn)顆的光伏逆變器訂單。
光伏繼續(xù)高歌猛進(jìn)
碳化硅開(kāi)啟廣泛合作
今年上半年,光伏產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長(zhǎng)。7月19日,國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)稱,2023年1-6月我國(guó)新增光伏裝機(jī)78.42GW,比去年同期(30.88GW)增長(zhǎng)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(zhǎng)45%。預(yù)計(jì)2023年又將是“繁榮年”,2023全年預(yù)計(jì)新增光伏裝機(jī)容量達(dá)到341GW,同比增長(zhǎng)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(zhǎng)必然帶動(dòng)逆變器市場(chǎng)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(guó)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(shì)喜人,國(guó)內(nèi)逆變器廠商一季報(bào)顯示,陽(yáng)光電源、德業(yè)股份、科士達(dá)、上能電氣、禾邁股份和昱能科技等企業(yè)營(yíng)收同比均增長(zhǎng)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)。
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(chǔ)IGBT市場(chǎng)規(guī)模為72.3億元,同比增長(zhǎng)33.2%,預(yù)計(jì)2025年有望達(dá)133.7億元,2022-2025年CAGR為22.8%。
不過(guò),碳化硅在光伏逆變器市場(chǎng)中的需求也日漸旺盛。事實(shí)上,從2010年以來(lái),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(yáng)光電源年累計(jì)出貨了超過(guò)15萬(wàn)臺(tái)使用碳化硅功率器件的光伏逆變器,已經(jīng)累計(jì)使用超過(guò)150萬(wàn)顆碳化硅功率器件。
蓉矽半導(dǎo)體正在大力開(kāi)拓光伏逆變器市場(chǎng),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(shì)顯著而且性價(jià)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(shí)上,除了碳化硅二極管外,近年來(lái)SiC MOSFET也越來(lái)越多地被引入光伏逆變器中。以陽(yáng)光電源為例,他們?cè)?014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(ài)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(guó)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(guó)內(nèi)多家知名光伏逆變器企業(yè)累計(jì)交付近百萬(wàn)只SiC MOSFET,甚至這些客戶已開(kāi)始采用愛(ài)仕特科技SiC功率模塊替代硅基IGBT模塊。據(jù)他判斷,“預(yù)計(jì)很快SiC MOSFET將會(huì)成為太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域主要功率器件,帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈整體實(shí)現(xiàn)迭代升級(jí)。”
今年5月份,“行家說(shuō)三代半”在參觀SNEC2023展時(shí)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(shí)上,今年以來(lái),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(kāi)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??捎^的市場(chǎng)增量。
據(jù)行業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)2025年光伏逆變器碳化硅的市場(chǎng)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(shí)我國(guó)光伏碳化硅的需求量將達(dá)到16萬(wàn)片。
碳化硅優(yōu)勢(shì):
提升功率密度、匹配1500V光伏系統(tǒng)
目前,SiC MOSFET價(jià)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(shì)”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(shí)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(shuō)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(jì)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?yàn)楣夥孀兤魇袌?chǎng)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(shì)。
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(shì)正日益受到光伏逆變器市場(chǎng)的關(guān)注。一些研究表明,采用碳化硅可以減少無(wú)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(guò)對(duì)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(ài)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(jí),開(kāi)發(fā)了1200V SiC MOSFET及EasyPACK、EasyPIM模塊產(chǎn)品。
愛(ài)仕特科技銷售經(jīng)理鄭國(guó)慧表示,目前愛(ài)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(shí)還推出了低閾值工藝,12V完全開(kāi)通的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入測(cè)試階段,可以兼容市場(chǎng)上眾多的驅(qū)動(dòng)IC,應(yīng)用方案也將更加簡(jiǎn)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(jiǎn)化固態(tài)變壓器的電路結(jié)構(gòu),減小散熱器空間,并通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率來(lái)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(shì),可以滿足組串式光伏應(yīng)用場(chǎng)景。在相同的開(kāi)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(kāi)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(huì)數(shù)據(jù),1500V系統(tǒng)逐漸成為市場(chǎng)主流,2022 年國(guó)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(ài)仕特科技認(rèn)為,光伏電站電壓等級(jí)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(chǎng)需求。DC-DC兩電平Boost和三電平Boost測(cè)試對(duì)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(jì)每千瓦可節(jié)省約5%-10%的成本。
針對(duì)1500V系統(tǒng)光伏逆變器,愛(ài)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(guò)相關(guān)電性能測(cè)試評(píng)估及可靠性考核,綜合特性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該公司銷售經(jīng)理鄭國(guó)慧表示,“愛(ài)仕特科技模塊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功率密度最大化,并在標(biāo)準(zhǔn)尺寸內(nèi)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),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(yáng)能解決方案在內(nèi)的眾多快速增長(zhǎng)的工業(yè)市場(chǎng)。”
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(shí)還避免了裕量過(guò)剩、成本過(guò)高的問(wèn)題,可以說(shuō)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(jiǎn)化光伏設(shè)計(jì)
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(jí)從1000V轉(zhuǎn)向1500V,硅基IGBT的劣勢(shì)將會(huì)比較明顯。
以100 kW左右中等功率逆變器為例,受到硅基IGBT開(kāi)工損耗限制,兩電平拓?fù)涞拈_(kāi)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(lái)降低IGBT損耗,提高開(kāi)關(guān)頻率。但是,三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來(lái)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(jì)、潛在的破壞性開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。
萬(wàn)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(gè)1000KW工商業(yè)儲(chǔ)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),需要采用碳化硅器件,來(lái)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的三電平和兩電平拓?fù)潆娐贰?br />
據(jù)賈曉宇透露,他們通過(guò)使用碳化硅開(kāi)發(fā)了“T”形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)使用碳化硅,整個(gè)拓?fù)渲挥?個(gè)開(kāi)關(guān),只有12顆芯片,芯片數(shù)量?jī)H為IGBT方案的1/4左右,實(shí)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(huì)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(kāi)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(jì)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(xiàng)目經(jīng)理鹿明星甚至提出,對(duì)于1500V光伏系統(tǒng)或者未來(lái)的2000V、3000V光伏系統(tǒng),需要借助2000V的SiC MOSFET來(lái)開(kāi)發(fā)二電平拓?fù)?,而不需要三電平或者多電平,這樣的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,系統(tǒng)可靠性更高。
應(yīng)對(duì)高頻挑戰(zhàn)
SiC PIM模塊有良策
前面提到,由于動(dòng)態(tài)損耗等原因,IGBT僅限于低頻拓?fù)湓O(shè)計(jì);雖然SiC MOSFET可以高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)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(yùn)行不可靠和過(guò)度的 EMI。
而且對(duì)于1500V光伏系統(tǒng),由于1700V SiC MOSFET較高的開(kāi)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(shí)會(huì)存在有限的電壓閉鎖裕量問(wèn)題,需要特別考慮SiC MOSFET開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間的電壓過(guò)沖。
為此,江西萬(wàn)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(jiǎn)單的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。
PIM是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外殼,可容納多個(gè)開(kāi)關(guān),有時(shí)包括二極管,甚至包括驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路。借助 PIM,單個(gè)封裝可為轉(zhuǎn)換器和逆變器功能提供完整的功率級(jí)。
測(cè)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(wàn)年芯副總經(jīng)理石海忠表示,他們針對(duì)光伏等領(lǐng)域推出了首款基于SiC MOSFET技術(shù)的PIM模塊,通過(guò)將SiC MOSFET、檢測(cè)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(shí)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(jì)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(guò)采用SiC MOSFET替代硅基IGBT,這款PIM模塊的整體電路拓?fù)涓鼮楹?jiǎn)單,模塊體積減少約57%,同時(shí)熱導(dǎo)率比硅基PIM封裝提高30%。
原標(biāo)題:一企業(yè)訂單破100萬(wàn)!光伏為何擁抱SiC?