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微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用
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微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

2024-05-21 15:40:04 来源:半导体器件应用网 作者:厉丹 点击:1731

【哔哥哔特导读】随着光伏储能技术的崛起,SiC器件已成为微型逆变器性能提升的关键。看SiC器件如何为光伏储能带来革命性的改变!

编者按:

在当今能源转型的大背景下,微型逆变器技术以其高效、可靠和灵活的特性,逐渐成为分布式能源系统的重要组成部分。而SiC器件作为一种具有优异性能的半导体材料,其在微型逆变器中的应用正日益受到业界的关注。

SiC器件以其高温稳定性、高开关频率和低损耗等特性,在微型逆变器中展现出巨大的应用潜力。其优异的性能不仅可以提高逆变器的转换效率,降低系统成本,还可以增强系统的可靠性和安全性,为分布式能源系统的高效运行提供有力保障。

如何提升系统性能的同时,又能降低成本?如何提高产品的可靠性和耐用性?未来分布式能源系统中的发展前景会是如何?此次对话将围绕“SiC器件在微型逆变器中的应用”这一主题,结合SiC器件在微型逆变器设计中的关键技术和应用案例一一探讨。

微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

对话导览:

1、如何看待当前微型逆变器市场的发展现状?SiC在微型逆变器中实现了多少的渗透率?

2、SiC器件在微型逆变器应用中如何提升效率和性能?有何创新解决方案可以分享?

3、尽管SiC具有许多优点,但其制造成本相对于传统材料可能较高。在降低SiC器件成本和其可靠性、耐用性方面是如何综合考量的?是否有典型的技术创新案例?

4、产业链下游的整机企业对上游的行业企业有哪些建议或期望?在合作中尽量满足哪些需求,可以使双方能够共同推动光伏储能逆变器市场发展?

5、在产业链上下游合作方面,如何与下游整机企业开展合作?如何看待整机企业当前重视的SiC器件质量保证问题?

6、如何看待SiC器件在微型逆变器中的应用趋势和市场空间?

对话嘉宾:

微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

1、如何看待当前微型逆变器市场的发展现状?SiC在微型逆变器中实现了多少的渗透率?

安森美庄伟君:随着可再生能源的迅猛发展,特别是太阳能光伏发电的普及,微型逆变器以其小巧的体积、高安全性和灵活性,在分布式光伏领域尤其是户用及小型工商业光伏场景中备受青睐,其市场规模正在不断扩大。现阶段,由于应用场景对成本的敏感性较高,成为了限制SiC在光伏储能微型逆变器中广泛普及和高渗透率的主要障碍。业界普遍期待随着供应链的成熟、制造工艺的优化以及市场需求的进一步拉动,SiC器件的价格能够逐步下降至更具竞争力的水平,从而加速其在光伏储能微型逆变器市场中的渗透与应用。

禾迈股份冷永生:目前,我接触到的超过800V的光伏储能微型逆变器中,MOS管及二极管主要使用SiC材料。而200V以下的低压储能微型逆变器则似乎仍使用普通的硅(Si)MOS。SiC主要应用于高压领域,特别是在800V以上的场景中。

光伏新能源行业黄军:近年来,在双碳战略的背景下,全球各国家和地区密集出台多项关于光伏储能行业的支持政策,为行业高质量发展创造了良好的政策环境。据ARENA调研,2023年,全球光伏新增装机容量约345.5GW,其中,中国光伏新增装机容量为216.88GW,同比增长148.1%。SiC器件性能优越,带隙宽度大约是硅的3倍,其导热率为硅的3.3 倍,具有高压、高频、高温、高速的优良特性,能够大幅提升光伏逆变器的功率密度,提高电能转换效率,降低损耗,减少重量和体积,具有广阔的应用前景。目前SiC SBD在光伏储能逆变器中已广泛使用,SiC MOS当前渗透率约不到10%(数据来源Yole),但也在逐年快速提升。

阳光电源吴雄武:光伏储能微型逆变器的应用情况目前是比较广泛的。SiC作为一种重要的材料,在多个部件和组件中都有应用。例如,在辅助电路或系统、防逆流二极管、BGC组件等。

2、SiC器件在微型逆变器应用中如何提升效率和性能?有何创新解决方案可以分享?

安森美庄伟君:使用SiC器件的微型逆变器可以实现更高的功率密度,全方位提升了逆变器的效率和整体性能,同时在相同的封装体积内,逆变器能处理更大的功率,这对于空间有限的分布式光伏储能系统来说尤为重要,有助于优化系统布局节省安装空间。

凭借我们完整的SiC产品供应链和领先市场的效率,安森美(onsemi)提供多款高性能SiC产品,包括650V和1200V的SiC MOSFET和SiC二极管,混合SiC模块和全SiC模块配合最新的F5BP封装产品, 用于300kW+组串式逆变器, 215kW储能PCS,这些产品有助于提高系统功率密度与转换效率,从而降低整体系统成本。其中,1200V M3S EliteSiC MOSFET系列产品,具有领先业界的超低开关损耗Eon/Eoff值,可实现高频开关,低反向恢复损耗,结到外壳的热阻低,坚固可靠的技术符合AEC-Q101标准,可承受175°C的温度,特别适用于光储充中Boost升压硬开关拓扑;650V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC是取代储能系统应用中硅基开关的理想选择;EliteSiC功率集成模块采用1200V NXH40B120MNQ0双升压和NXH010P120MNF1 2件装半桥,可以在公用事业规模系统中提供更高的功率密度;1700V EliteSiC MOSFET NTH4L028N170M1能够提供高功率工业应用所需的更高击穿电压(BV)的SiC方案,两款1700 V雪崩EliteSiC肖特基二极管(NDSH25170A、NDSH10170A)让设计人员能够实现在高温高压下稳定运行,同时由SiC赋能高能效的设计。

微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

士兰微付友文:SiC器件与光伏逆变器的迭代方向高度契合,光伏逆变器正朝着高转换效率、高功率密度、低能量损耗,系统体积缩小的方向发展,而SiC功率器件具备高频、高温、高压等优势。采用SiC方案的光伏逆变器,整机系统效率可提升1%-2%左右,能量损耗降低50%以上,体积和重量减少40%-60%左右,可大幅降低系统度电成本及安装维护成本。现阶段SiC MOS 方案逐步应用于DC-DC(含MPPT),可明显提升性能,以及采用硅基IGBT+SiC SBD 混合方案,以SiC SBD 替换FRD来降低恢复损耗、提高电源效率。士兰微通过发挥IDM一体化优势,基于士兰化合物半导体生产线,推出的1200V SiC芯片性能指标已达到国际领先水平,并同时研发650V、1700V、2000V等电压段高性能SiC MOSFET芯片,及包含TO-247B-4L、TO-263-7L、TOLL、B10、B15、D4等多种封装形式,适配光伏储能逆变器应用场合。

微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

图:士兰微40mΩ 1200V SiC MOS功率管SCDP120R040NB2P4B

阳光电源吴雄武:SiC器件在光伏储能应用中的使用对提升效率和性能有着显著的帮助。具体来说,SiC器件的集成度更高,这使得功率可以做得更大,电流也能达到更高的水平。这种高集成度、大功率和高电流的特性使得SiC器件在光伏储能系统中能够发挥重要作用,提高系统的整体效率和性能。因此,可以说SiC器件在光伏储能应用中的帮助是相当大的。

3、尽管SiC具有许多优点,但其制造成本相对于传统材料可能较高。在降低SiC器件成本和其可靠性、耐用性方面是如何综合考量的?是否有典型的技术创新案例?

禾迈股份冷永生:SiC器件相较于普通器件,其成本较高。当应用在800V以上的高压微型逆变器时,尽管降低成本有技术优化的空间,但我更关注器件本身的优化。如果不合适或精力不足,不会考虑低成本的器件。在开发阶段,我会优先考虑性能而非成本,后期量产阶段再考虑成本优化。

安森美庄伟君:安森美是少数能够提供从衬底到模块的端到端SiC解决方案的厂商之一,这种垂直整合能力使公司能够更好地控制产品质量、降低成本,并确保供应链的稳定。通过对SiC晶圆生长、外延、器件设计、制造以及封装测试等环节的全程掌控,安森美能够优化各阶段的工艺流程,减少中间环节成本,实现规模化生产效益。例如随着市场对SiC器件的需求不断增长,安森美加大了投资力度,扩建了在韩国的SiC生产线。同时,安森美还计划进一步扩大其在全球的研发和制造能力,以满足日益增长的SiC市场需求。

此外,安森美采取了多项措施来确保SiC产品具有高质量和高可靠性,包括通过外延生长前后的缺陷扫描、严格的工艺控制、对所有的芯片执行100%雪崩测试、实施产品级老化测试来消除外部栅极氧化物故障,来确保制造质量和可靠性。

士兰微付友文:尽管多年以来,大到行业巨头小到新晋厂商都在不断加大力度推进 SiC器件成本的降低,但受限于材料、设计、制造工艺、设备等多方面因素,SiC器件的价格现在仍然普遍处于 Si器件价格 3 倍左右的高位。士兰通过不断对SiC器件设计和生产工艺进行优化,提高产品性能和良率,从而降低器件的成本;同时也优化整合供应链,在保证产品性能和质量的前提下积极选用国产化原材料,来推动器件成本优化。

4、产业链下游的整机企业对上游的行业企业有哪些建议或期望?在合作中尽量满足哪些需求,可以使双方能够共同推动微型逆变器市场发展?

禾迈股份冷永生:就研发来说,目前我们没有遇到什么困难。可能就是质量保证方面要做好一些,因为我们刚好遇到过有一个SiC二极管贴片质量问题,导致市场运行一段时间后都损坏了,而且必须召回。当时幸好没有大批量使用。

阳光电源吴雄武:因为目前SiC器件应用方案都是相对成熟的系统方案,这些方案在结构上大同小异,没有太多新颖之处。但在评估SiC器件在实际应用中的性能,某些参数在特定情况下对系统性能的影响可能更大,且目前尚不完全清楚其影响程度。

5、在产业链上下游合作方面,如何与下游整机企业开展合作?如何看待整机企业当前重视的SiC器件质量保证问题?

安森美庄伟君:安森美通过多种方式与下游整机企业实现广泛合作,包括与整机企业共同开展技术研发项目,针对特定应用需求定制化设计SiC器件或模块,确保产品性能、规格与整机系统高度匹配;为整机企业提供专业的SiC器件选型指导、系统级设计方案咨询等技术支持服务,帮助整机企业优化系统设计,充分发挥SiC器件的性能优势,降低系统总成本;与整机企业签订长期供应协议,确保稳定、及时的SiC器件供应,避免市场供需波动对整机企业生产计划的影响等……

微型逆变器性能跃升:SiC器件的关键作用

整机企业当前重视的SiC器件质量保证问题,实际上是出于多方面的综合考虑,例如SiC器件作为提升整机产品性能、能效和竞争力的关键组件,整机企业对SiC器件质量的高度重视,反映了其对产品质量控制和品牌声誉的战略关切。其次,SiC器件的高工作电压、高开关频率、高热导率等特点,对器件的制造工艺、封装技术、材料选择以及系统集成提出了极高要求,整机企业关注SiC器件的质量,实质上是对这些技术细节的严格把关,确保器件在长期、严苛工况下的稳定性和可靠性。再次,高质量的SiC器件能够降低整机产品的故障率和维护成本,延长产品使用寿命,从而为整机企业带来长期的经济效益,与具备质量保证能力的供应商建立稳定合作关系,有助于整机企业规避供应链风险,确保供应链的连续性和灵活性。

士兰微付友文:SiC器件的生产制造具有很多挑战,相较于硅基器件,它需要开发新的高温制造工艺,这些工艺会对器件的可靠性造成影响,通常会引发栅氧可靠性、阈值电压漂移、体二极管退化以及dv/dt、di/dt失效问题。因此,SiC器件可靠性测试非常关键和重要。士兰微电子依靠二十多年来的发展,已具备完善的可靠性测试能力和失效分析能力。士兰检验检测中心承担士兰微电子研发测试和产品质量监测责任,旨在验证和确认产品的可靠性、准确性和合规性。中心的检测精度和广度已达到国内乃至国际顶尖水平。检验检测中心可以进行多种环境试验项目,包括高温工作寿命试验、低温工作寿命试验、高温反向偏压试验、高温栅极偏压试验、温度循环试验、加速湿度-无偏高压试验、高加速温湿度应力测试(HAST)试验、加速耐湿性无偏HAST试验、稳态温湿度偏置寿命试验、高低温湿热存储寿命试验、高温储存寿命试验、低温储存寿命试验、间歇工作寿命试验、功率循环试验等,这些试验项目可以对产品在不同环境下的性能进行测试,以评估产品的可靠性和适应性。

6、如何看待SiC器件在微型逆变器中的应用趋势和市场空间?

禾迈股份冷永生:目前储能光伏逆变器的发展越来越偏向于智能化,注重客户的应用体验和感觉。产品正在优化各种服务方面,如支持Wi-Fi、通信、APP、网站和云平台等,以提高实时通信速度、抗干扰能力和数据传输稳定性。许多产品都在努力提升客户的体验感。关于未来的市场空间和趋势,目前国内市场主要集中在大型、集中式的储能需求,而国外个人客户市场更为广泛。

安森美庄伟君:全球范围内随着可再生能源政策的推动、环保意识的提升以及技术成本的下降,光伏市场持续增长,储能系统市场需求也在迅速扩大。微型逆变器因其易于安装、模块化设计等优点,尤其适合住宅和商业屋顶光伏系统,与储能系统的结合将进一步提升系统灵活性和能源利用效率,因此光伏储能微型逆变器市场本身具有巨大的增长潜力。

而SiC器件的高效率、高功率密度、高工作温度、低损耗等特性与光伏储能微型逆变器追求的高能效、小型化、轻量化、长期稳定运行的目标契合,随着SiC器件技术不断成熟,制造工艺优化、良率提升、规模化生产等因素导致成本逐步下降,其经济性优势将更加凸显,在逆变器中的应用将愈发普遍,市场渗透率有望持续提升,提升用户的投资回报率,为全球能源转型和可持续发展贡献重要力量。

光伏新能源行业黄军:SiC在光伏领域的应用发展,从研发探索到商业化应用至今还不足半个世纪,目前供应基本上仍掌握在国外品牌中,产业呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局,前五大厂商份额约90%。然而,SiC在光伏储能行业仍然是在探索发展阶段,近几年来,受到国内积极政策和行业环境的推动,我国光伏产业发展不断提速,新增装机、累计装机量稳居全球首位。随着我国光伏产业已经具备了全球竞争力,SiC器件的应用也迈入了新高度,国产品牌具有巨大的发展空间。

无锡联动张弘杰:SiC器件在微型逆变器中的应用已经相当普遍,成为该领域使用较多的器件类型之一。过去,SiC主要被用于常规的高压储能系统中,特别是在储能能力分析和组串应用中起到了关键作用。然而,从当前行业趋势来看,SiC的应用正在向更高频率和更先进的材料如氮化镓(GaN)转移。

阳光电源吴雄武:目前,在条件允许的情况下,即成本能够满足时,SiC会被优先选择使用。

结语:

SiC器件以其高温稳定性、高开关频率和低损耗等卓越性能,为微型逆变器带来了前所未有的性能提升和成本优化,从而推动了分布式能源系统的快速发展。

技术创新是SiC器件在微型逆变器领域得以广泛应用的关键。随着新材料的应用、电路拓扑的优化以及控制算法的改进,SiC器件的性能不断攀升,成本逐渐降低,使得其在市场应用中更具竞争力。目前,SiC器件已经广泛应用于光伏、风能等可再生能源领域,为能源结构的优化和可持续发展注入了新的活力。

展望未来,SiC器件在微型逆变器中的应用前景更加广阔。随着全球对环保和可持续发展的重视程度不断提高,分布式能源系统将得到更广泛的应用。而SiC器件凭借其优异的性能和不断的技术创新,将在这一领域发挥更加核心的作用。我们有理由相信,随着技术的不断进步和市场需求的不断增长,SiC器件在微型逆变器中的应用将迎来更大的普及规模,为全球能源结构的优化和可持续发展作出更大的贡献。

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