碳化硅在光伏領域的應用優(yōu)勢

光伏—“新基建”和“碳中和”的新寵兒

太陽能作為一種可再生的清潔資源，具有兩大優(yōu)勢：

一是可以直接利用，特別是在偏遠或者離網(wǎng)區(qū)域；二是它足夠多：據(jù)計算，海平面上，每平方米每天可產(chǎn)生1kW電力，如果考慮日/夜周期，入射角，季節(jié)性等因素，每天每平方米或可以產(chǎn)生6kWh電量。

盡管，我們每天都能見到的太陽能是免費的，但如何實現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)化？

轉(zhuǎn)化率20%-30%是理想狀態(tài)，實際上轉(zhuǎn)換效率可能會因各種原因而降低轉(zhuǎn)換效率：降雨，積雪和灰塵沉積，材料老化以及環(huán)境變化，例如由于植被的生長或新建筑物的安裝而增加陰影。

提高效率的最大技術(shù)之一是逆變器的設計，逆變器將太陽能電池的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，以便直接消耗或通過電網(wǎng)傳輸。逆變器通過切換直流輸入電流的極性來工作，使其接近交流輸出。

其工作原理是：開關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換效率越高。簡單的開關(guān)即可產(chǎn)生方波輸出，可以驅(qū)動負載，但是諧波會損失更多的電流。因此，逆變器需要平衡開關(guān)頻率以提高效率、工作電壓和功率容量。

△ Single Boost拓撲

碳化硅（SiC）應用優(yōu)勢

碳化硅用作光伏領域前景廣闊，目前，我國碳化硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)處于高速發(fā)展時期，它的快速發(fā)展也帶動原材料與設備兩個千億級產(chǎn)業(yè)，鏈接多個核心市場。以光伏領域為例，CASA 數(shù)據(jù)評估：預計到2025年，碳化硅功率器件在光伏逆變器中的占比將高達50%。綜合統(tǒng)計新增和更換兩大市場，屆時我國光伏領域碳化硅的需求量將達到16萬片。

△ 全球光伏預計新增裝機規(guī)模

近年來，太陽能電池板的“大尺寸、高功率、大密度”發(fā)展趨勢非常明顯，傳統(tǒng)光伏逆變器硅基器件無法滿足效率和發(fā)熱方面的需求，因此各方面性能更優(yōu)越的碳化硅器件脫穎而出。

碳化硅（SiC）在太陽能發(fā)電應用中比硅具有多種優(yōu)勢，其擊穿電壓是傳統(tǒng)硅的十倍以上， 比硅更低的導通電阻，柵極電荷和反向恢復電荷特性，以及更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件可以在比硅等效器件更高的電壓，頻率和電流下切換，同時更有效地管理散熱。

△ Si與SiC在600V/700V效率對比

硅MOSFET廣泛用于高達300V的開關(guān)應用中，高于該電壓時，器件的導通電阻上升，設計者不得不轉(zhuǎn)向較慢的雙極器件。SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅中可能的電壓高得多的MOSFET，同時保留了低壓硅器件的快速開關(guān)速度優(yōu)勢。開關(guān)性能也相對獨立于溫度，從而在系統(tǒng)升溫時實現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

SiC的導熱系數(shù)也是硅的3倍，可以在更高的溫度下運行。硅在175℃左右就無法正常運行，甚至在200攝氏度時直接會變成導體。而SiC直到1000℃左右才發(fā)生這種情況。

可以通過兩種方式利用SiC的熱特性。首先，它可以用于制造功率轉(zhuǎn)換器，而該轉(zhuǎn)換器所需的冷卻系統(tǒng)要少于等效的硅系統(tǒng)。另外，SiC在較高溫度下的穩(wěn)定運行可用于空間非常寶貴的情況下制造密集的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如車輛和蜂窩基站。

由于功率轉(zhuǎn)換效率與開關(guān)頻率直接相關(guān)，因此，SiC既可以處理比硅更高的電壓，又可以確保高轉(zhuǎn)換效率所需的超高轉(zhuǎn)換頻率，實現(xiàn)了雙贏。

“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃和2035年遠景目標提出，要加速推動碳化硅等第三代半導體產(chǎn)業(yè)化進程。未來隨著光伏發(fā)電市場的蓬勃發(fā)展，光伏逆變器的應用將大幅增長。彈性市場需求疊加剛性政策目標，“光伏熱”持續(xù)發(fā)力，而光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的“大腦”，碳化硅順應時勢應用到光伏逆變器中的優(yōu)勢顯而易見。

來源：半導體信息

審核編輯：湯梓紅