碳化硅“備戰(zhàn)”光伏市場

在能源電子產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的背景下，全球光伏裝機量持續(xù)攀升，為碳化硅帶來可觀的市場增量。Yole研報預(yù)計，應(yīng)用于光伏發(fā)電及儲能的碳化硅市場規(guī)模將在2025年達(dá)到3.14億美元，2019—2025年復(fù)合增長率為17%。同時，光伏組件功率密度的持續(xù)提升，也對碳化硅器件性能提出了更高的要求。要抓住光伏帶來的市場機遇，碳化硅廠商還需要在產(chǎn)品綜合性能、制備良率、供應(yīng)鏈協(xié)作等多個維度發(fā)力。

碳化硅高度契合光伏逆變器演進(jìn)方向

光伏逆變器將光伏面板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電以用于電網(wǎng)，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。光伏逆變器的轉(zhuǎn)化效率，直接影響整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

寬禁帶半導(dǎo)體的長處正是更高的能源轉(zhuǎn)化效率，其性能優(yōu)勢與光伏逆變器的迭代需求有著較高的契合度。華為發(fā)布的智能光伏十大趨勢顯示，光伏電站向大功率、高可靠性發(fā)展已成為趨勢。以光伏逆變器為例，直流電壓已經(jīng)由1100V提升到1500V。通過碳化硅、氮化鎵等新材料的應(yīng)用，以及將數(shù)字技術(shù)與電力電子技術(shù)、熱管理技術(shù)等充分結(jié)合，預(yù)計未來5年逆變器的功率密度將再提升50%。

基本半導(dǎo)體工業(yè)業(yè)務(wù)部總監(jiān)楊同禮向《中國電子報》記者表示，隨著太陽能電池板的尺寸和功率密度逐步增加，傳統(tǒng)的硅基器件已不能滿足光伏逆變器MPPT(最大功率點跟蹤)電路在效率和發(fā)熱方面的需求，各方面性能更優(yōu)越的碳化硅功率器件上場應(yīng)用成為必然趨勢?！跋鄬杵骷裕蓟韫β势骷転楣夥孀兤鲙砀叩霓D(zhuǎn)換效率、更低的能量損耗，從而有效縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本?！?/p>

安森美應(yīng)用市場工程師賈鵬也向《中國電子報》表示，基于碳化硅的光伏逆變系統(tǒng)能夠在效率、體積和重量上做得更好。寬禁帶材料的優(yōu)異特性允許基于其制造的半導(dǎo)體器件在高頻高溫高壓下工作，高頻意味著更小的電感體積和高頻條件下仍能接受的損耗，高溫意味著更好的散熱能力和更加緊湊的系統(tǒng)布局，高壓則代表著更高的母線電壓，將更大的傳輸功率或更小的由傳輸電流帶來的線路損耗變?yōu)榭赡堋?/p>

對標(biāo)光伏需求提升多項技術(shù)指標(biāo)

面向光伏逆變器功率更大、效率更高、體積更小、成本更低，以及組串式逆變器配置靈活、易于安裝的發(fā)展方向，碳化硅供應(yīng)商從多個技術(shù)指標(biāo)入手，持續(xù)提升器件性能。

提升光伏逆變器的最大直流母線電壓，將提升光伏變電站的成本效益，這對碳化硅功率器件的電壓等級提出了更高的要求。在1100 V的直流系統(tǒng)中，功率級別一般在8kW—150kW之間，100kW的低功率和中功率系統(tǒng)通常使用1200V和650V開關(guān)。當(dāng)光伏逆變器從1100V做到1500V，功率器件的工作電壓也隨之提升。例如安森美的EliteSiC系列（包括碳化硅MOSFET、碳化硅二極管），耐壓范圍為650V-1700V，可以覆蓋目前的1100V和1500V的光伏逆變器系統(tǒng)。其中1700V SiC MOSFET對應(yīng)1500V直流母線的光伏逆變器產(chǎn)品。

而更高的功率密度，是光伏逆變器主要的升級方向，也考驗著碳化硅器件的綜合性能。比如基本半導(dǎo)體的第二代碳化硅MOSFET在比導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、開關(guān)損耗以及成本上進(jìn)行了改善，以進(jìn)一步提升客戶端光伏逆變器的功率密度。在碳化硅功率模塊方面，基本半導(dǎo)體推進(jìn)工業(yè)級碳化硅二極管模塊、MOSFET模塊以及混合模塊的開發(fā)，以滿足百千瓦級別以上更高功率的光伏逆變器的應(yīng)用需求。安徽芯塔電子也在新一代SiC MOSFET提升了器件的功率密度和效率，對比前一代產(chǎn)品具有更小的芯片尺寸、更低的米勒電容、更高的抗干擾能力，以更好地滿足光伏儲能對提升性價比、改善器件動態(tài)特性以及降低開關(guān)損耗的需求。

縮小體積以降低成本也是光伏逆變器的演進(jìn)趨勢，尤其體現(xiàn)在微型逆變器和組串式逆變器上，碳化硅器件也需要做得更加緊湊并解決由此帶來的散熱問題。安森美推出了首款TOLL封裝650V SiC MOSFET，適配小尺寸高功率密度的產(chǎn)品，TOLL封裝的尺寸僅為9.9mm×11.68mm，比D2PAK封裝的PCB面積節(jié)省30%，同時具有更好的散熱和寄生電感。

此外，組串式逆變器模塊化、靈活可配置的特點，也需要碳化硅廠商提供更加靈活便捷的解決方案。英飛凌面向組串式逆變器的需求，推出了由950V IGBT7和1200V碳化硅二極管構(gòu)成的MPPT模塊，采用了PressFIT壓接技術(shù)以降低安裝難度，并基于Easy模塊技術(shù)，讓客戶可以在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電壓等級、封裝和技術(shù)之間進(jìn)行選擇。

抓住市場增量考驗廠商綜合能力

要抓住光伏帶來的市場機遇，碳化硅廠商需要在產(chǎn)品綜合性能、制備良率、供應(yīng)鏈協(xié)作等多個維度發(fā)力。

“由于光伏逆變器所處的戶外環(huán)境比較惡劣，以及運行周期長等原因，行業(yè)對碳化硅功率器件的可靠性等綜合性能的要求更加嚴(yán)苛，加之光伏行業(yè)競爭激烈，客戶不斷追求性價比，非?？简炋蓟杵髽I(yè)的綜合競爭力?！睏钔Y說。

賈鵬也向記者指出，碳化硅是世界上第三硬的復(fù)合材料，且非常易碎，因此要注重碳化硅制備過程中的良率和質(zhì)量。

“隨著碳化硅技術(shù)的不斷成熟和降本，大部分光伏逆變器中的超結(jié)MOSFET和IGBT會被替代，這對于整條碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈來說是一個巨大的市場。然而，在擴大量產(chǎn)能力的同時保持良率和質(zhì)量對于任何一家半導(dǎo)體公司都是一種挑戰(zhàn)，因此半導(dǎo)體企業(yè)會持續(xù)投資建廠或與龍頭客戶簽訂長期供應(yīng)協(xié)議。如安森美等提供從晶圓到方案的碳化硅供應(yīng)商，除了做好生產(chǎn)供應(yīng)之外，還需要和客戶一起研究實際應(yīng)用中碰到的問題，比如碳化硅替代后的散熱方案以及高頻工作帶來的其它干擾等等?！辟Z鵬說。

同樣值得注意的是，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)能還未大規(guī)模釋放，在布局光伏的過程中，要注重與本地產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)作，利用好貼近市場的優(yōu)勢。

安徽芯塔電子科技有限公司市場經(jīng)理周駿峰向《中國電子報》表示，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈都在積極擴產(chǎn)，但產(chǎn)能等方面與國際巨頭尚有差距。國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)要依靠國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的合作與深度協(xié)同，才能更好地與國際巨頭競爭。例如，芯塔電子的SiC MOSFET產(chǎn)品未來會朝著15V驅(qū)動迭代，因為國內(nèi)驅(qū)動芯片廠商大多供應(yīng)15V的驅(qū)動芯片，配套容易，使客戶可以充分利用 SiC MOSFET 的優(yōu)勢。

“基于對客戶終端應(yīng)用的深刻理解，提前挖掘終端應(yīng)用藍(lán)海市場，精準(zhǔn)定義新產(chǎn)品，率先開發(fā)出有特色的功率器件和模塊，才能確保早期藍(lán)海市場的紅利?！敝茯E峰說。