碳化硅在风光储应用的机会

按照预测接下来7年，到2030年，整个绿色能源的体系，包括电网和用电，将是巨量的市场，每年预估需要500~600GW以上的装机容量。在此背景下，其对于功率器件的要求，产能的要求都会有所提升。

储能是一个比较广泛的概念，它涵盖户用储能、工商业储能以及超大储能电站，每个细分场景所使用的器件不一样，整个的拓扑结构也比较复杂。从器件角度而言，不同的芯片要求就有不同的电压等级配置，650V~2000V甚至更高的电压都有可能用到，器件功率也会有很大的提升，很多器件的封装形式也会产生变化。碳化硅应用在此，怎么发挥其效用呢？

他引用了一篇曾经在PCM发表过的公司同事写的文章，主题就是讨论在这些拓扑中，如何用一些混合方案提高器件的系统效率。文章共计介绍了4个拓扑：IGBT Type、NCD、混合型、IGBT+碳化硅二极管。经过比较，纯IGBT方案效率可能最低，如果用到Hybrid-2，S1和S2竖管使用碳化硅，横管用碳化硅二极管+IGBT，在这样的拓扑情况下，提到3000W的时候，效率大概可以提高0.7、0.8，这是一种混合带来的好处。

碳化硅在风电、光伏储能系统中的应用

光伏市场方面，2022年全球有230GW的装机量，2023年到2030年有一个曲线，对于全球到2030年可能会达到500GW，中国依然可能会占据25%的份量。其中，储能现在基数比较小，未来的增长非常大，2025年全球可能达到77亿GW的装机。

对于整个光伏逆变器发展的趋势来说，可以分为几个部分，高效率、高功率密度、低系统的成本、无线电压越来越高。高效，是降低功率损耗；高功率密度对于封装来说有更低的封装的热阻，系统损耗越来越小，或者是提升节温。低系统的成本，要加大比例，减少器件的体积，同时可以把电流减少，在保证功率不变的方面把电流减少，就是升高电压，对拓扑有相应的要求，我们会用到NPC、ANPC的拓扑，或者更高电压等级的器件。

那么，在组串式和集中式1500V系统里面，哪些地方可以用到碳化硅的器件？

比如在1500V组串式的拓扑中，包含了会用到的功率器件就是MPPT、DCDC部分还有逆变单元，对于DCDC，BOOST部分，这部分是BOOST的电路，可以肯定基本上是950V的IGBT器件，Bypass和反向是1200V的碳化硅器件。

市面上也有少部分选择用950V BOOST的IGBT加上1200V的碳化硅方式进行组合，或者是直接把ANPC部分的器件用2000V的碳化硅；但我们更愿意往碳化硅或者全碳化硅的方式。最后的方案，是会把整个组串式逆变器用全碳化硅的方式，这个可能需要一定的时间，因为整个器件需要开发，或者成本可以做到合适。

瑞能半导体 ：

对光伏功率器件基本上做一个分类，第一部分是DC-DC部分，第二部分是CD-AC的部分。DC-DC应用在光伏领域就是MPPT，最大功率点跟踪，这块万变不离其宗都是以Boost升压电路基本拓扑形式出现的，区别就是早先低电压平台是IGBT配套FRD实现MPPT，实现Boost的拓扑。后来应用平台、电压平台的提升，比如说从1000V以下做到1200V，甚至1500V，器件会有相应的变化。

以DC-DC为例，我们围绕两电瓶的Boost和三电瓶的Boost做了分析和测试对比。IGBT+硅FRD效率是96%；IGBT+碳化硅的SBD的方案效率还是保持20KHz的工作频率，效率能够做到98.6%，因为单纯的碳化硅的二极管减小了反向恢复的电荷，在频率保持不变的情况下效率可以提升1%-2%。把开关元器件也从硅基的IGBT换成SiC MOSFET二极管组合之后，提升0.6%-0.7%。

三电瓶的Boost做了相应的测试，没有体现出来，还是一样的，IGBT和硅FRD，中间是IGBT和碳化硅SBD还有SiC MOSFET，这样碳化硅只是改变二极管的方案，工作都是20KHz左右，效率96%-97%。

碳化硅二极管之后效率已经有比较大的提升，可以做到98.9%，接近99%了，这是一个成本友好型的解决方案，对于现有的设计不必变化太多，只需要更换一个pin to pin的碳化硅二极管可以实现。如果效率还有功率密度极致的追求，可能用到全碳化硅的方案，频率也有相应的提升，做到99.3%的效率。

但是一旦用了碳化硅的器件，导通阻抗还有Vf的压降都有提升，是不是我们用了全碳化硅的器件之后，就没有必要再用三电平的解决方案？二电平如果能满足EMI的条件下，器件数量更少，电路更精简，设计难度更低，失效率更低，我个人还是觉得能从三电平换成碳化硅，切换成两电平就用这个方案。

DC-DC的应用里面还有一个主要的分支就是储能系统里面的直流变换，至少如果是存储在低压蓄电池里面，高压侧肯定需要ROC的，这种情况下，高压侧就比较适合把硅MOSFET换成SiC MOSFET，这样耐压轻易会有提升，而且逼导会低很多，集成的电容量会比硅器件低很多，无论是效率提升还有三电平变两电平，电路简化都是有优势的。

风电和光伏有一个特别不好的特点，就是间歇性、不稳定性或者随机性。如果可变可再生能源占比非常高，会对电力系统的稳定性造成不利的影响。

我们把储能在可变可再生能源发展过程中增长的情况分为三个阶段:一是萌芽期，这时风电、光伏等不稳定的能源占比非常低，比如小于10&，对于储能要求也不是很高；当可变可再生能源占比到10%-20%时，对储能来讲，它是一个初始的增长期；当占比超过20%，应用场景对储能的要求会迅速提高。比如当很多光伏、风电还有储能接入时，整个电网的柔性程度也逐渐升高。

而从成本和效率来看，总的能量输出是跟整个储能系统的循环寿命有关系，我们的燃料成本或者消耗掉的电能实际跟整个系统的效率，还有整个循环寿命过程中输出的能量有关系，因为整个循环寿命输出的能力非常大，所以效率有一个比较小的提升，实际上燃料成本的节约就会有很可观的值。对于储能系统来讲，一个是要提升循环寿命，增加整个系统的能量的输出，还有一个要降低系统的损耗，提高系统效果，降低燃料成本。

比如同样一个1000KW工商业储能变流器的拓扑，使用IGBT模块，里面会有44颗芯片，整个内部的结构非常复杂。能不能通过使用碳化硅或者改变拓扑结构把芯片数量降下来？我们考虑用“T”形结构，使用碳化硅二极管，最后总共四个开关，里面只有12颗芯片，跟刚才的IGBT相比，芯片数量大概是原来的1/4左右，实现成本和效率的平衡。

对于未来SiC MOSFET的应用的几个方向，现在出现2000V的SiC MOSFET，对于1500V系统以及未来出现2000V甚至3000V的光伏系统，那个时候可以直接采用二电平，不用三电平或者多电平的方式，结构更简单，系统可靠性更高。

大电流的应用，在多联、并联在车规功率模块当中很常见，单管目前应用比较少，未来主要是并联使用克服单颗管子发热损耗，因为MOSFET热度比较大，需要通过多个并联散热，还有单颗比较低的器件成本比较高。

目前很多厂家提到应用SiC MOSFET对成本管控越来越高，碳化硅器件成本相对IGBT方案有一定难度，希望未来器件在良率的控制、性能的控制能提升，逐步实现规模效应，可以全碳化硅应用。高频化的应用，提高产品的功率密度，降低产品的系统成本。

谈到碳化硅的机遇，必然要提碳化硅的优势，碳化硅相比于硅基器件具有更高的宽禁带，将近3倍的禁带宽度，允许能够有更低的漏电流，还具有2倍的电子漂移数据，实现更好的开关速度，还有3倍的导热率还有10倍的击穿电压强度，所以特别适合高压应用的场景。

在光储充市场，随着用户侧储能展现出的潜力，我们今天所提到的碳化硅的器件在大功率、功率模组上面的应用，也是结合这样一个应用领域与背景下去提出的。

碳化硅器件包括的维度，包括频率、电压、电流、效率、可靠性、尺寸以及温度，这方面不仅是一些维度，更是带来了一些更多的挑战：

以高频来说，现在在工商业或者光储充行业当中，实际的开发频率并不是特别高，原因除了IGBT本身成本价格还具有一定的优势，短期内能够有比较好的市场优势，更多的是高频化，如何应用高频化的问题，我们如何降低或者减少做到更低的回路电感降低参数。

对于高电压来说，应用领域动辄上千千伏的电力要求越来越严苛，如何做到更大的功率更高的电压，同时保证可靠性前提下确保成本以及不用更多的体积，也变成了挑战。

随着功率的变大，电流也相应变大，必然会用到更多多器件的并联，对于器件并联，问题包括了热的平衡以及器件的动态均流、碳均流的问题。效率的角度来说，除了选用更好的器件，如何更好在应用层面上提高效率，如何突破传统在设计过程当中影响效率的瓶颈，这也是非常有挑战的话题。

由于光储充市场运行是双向运行或者长期满载的状态，要求非常高，对于综合性的设计带来了巨大的挑战。碳化硅器件的芯片的导热率非常高，但是尺寸非常小，热密度非常高，对于散热来说带来了很大的挑战。

另外一个问题，现在市场上很多叠加的技术非常快速，包括芯片尺寸的变化，各家的尺寸百花齐放，包括还有一些拓扑的原因，客户的应用的封装的形式不同，所以如何做到快速兼容，以上这些问题都是有巨大的挑战。

原标题：大咖说｜碳化硅在光储系统中的应用