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碳化硅在風光儲應用的機會

按照預測接下來7年，到2030年，整個綠色能源的體系，包括電網(wǎng)和用電，將是巨量的市場，每年預估需要500~600GW以上的裝機容量。在此背景下，其對于功率器件的要求，產(chǎn)能的要求都會有所提升。

儲能是一個比較廣泛的概念，它涵蓋戶用儲能、工商業(yè)儲能以及超大儲能電站，每個細分場景所使用的器件不一樣，整個的拓撲結構也比較復雜。從器件角度而言，不同的芯片要求就有不同的電壓等級配置，650V~2000V甚至更高的電壓都有可能用到，器件功率也會有很大的提升，很多器件的封裝形式也會產(chǎn)生變化。碳化硅應用在此，怎么發(fā)揮其效用呢？

他引用了一篇曾經(jīng)在PCM發(fā)表過的公司同事寫的文章，主題就是討論在這些拓撲中，如何用一些混合方案提高器件的系統(tǒng)效率。文章共計介紹了4個拓撲：IGBT Type、NCD、混合型、IGBT+碳化硅二極管。經(jīng)過比較，純IGBT方案效率可能最低，如果用到Hybrid-2，S1和S2豎管使用碳化硅，橫管用碳化硅二極管+IGBT，在這樣的拓撲情況下，提到3000W的時候，效率大概可以提高0.7、0.8，這是一種混合帶來的好處。

碳化硅在風電、光伏儲能系統(tǒng)中的應用

光伏市場方面，2022年全球有230GW的裝機量，2023年到2030年有一個曲線，對于全球到2030年可能會達到500GW，中國依然可能會占據(jù)25%的份量。其中，儲能現(xiàn)在基數(shù)比較小，未來的增長非常大，2025年全球可能達到77億GW的裝機。

對于整個光伏逆變器發(fā)展的趨勢來說，可以分為幾個部分，高效率、高功率密度、低系統(tǒng)的成本、無線電壓越來越高。高效，是降低功率損耗；高功率密度對于封裝來說有更低的封裝的熱阻，系統(tǒng)損耗越來越小，或者是提升節(jié)溫。低系統(tǒng)的成本，要加大比例，減少器件的體積，同時可以把電流減少，在保證功率不變的方面把電流減少，就是升高電壓，對拓撲有相應的要求，我們會用到NPC、ANPC的拓撲，或者更高電壓等級的器件。

那么，在組串式和集中式1500V系統(tǒng)里面，哪些地方可以用到碳化硅的器件？

比如在1500V組串式的拓撲中，包含了會用到的功率器件就是MPPT、DCDC部分還有逆變單元，對于DCDC，BOOST部分，這部分是BOOST的電路，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。

市面上也有少部分選擇用950V BOOST的IGBT加上1200V的碳化硅方式進行組合，或者是直接把ANPC部分的器件用2000V的碳化硅；但我們更愿意往碳化硅或者全碳化硅的方式。最后的方案，是會把整個組串式逆變器用全碳化硅的方式，這個可能需要一定的時間，因為整個器件需要開發(fā)，或者成本可以做到合適。

瑞能半導體 ：

對光伏功率器件基本上做一個分類，第一部分是DC-DC部分，第二部分是CD-AC的部分。DC-DC應用在光伏領域就是MPPT，最大功率點跟蹤，這塊萬變不離其宗都是以Boost升壓電路基本拓撲形式出現(xiàn)的，區(qū)別就是早先低電壓平臺是IGBT配套FRD實現(xiàn)MPPT，實現(xiàn)Boost的拓撲。后來應用平臺、電壓平臺的提升，比如說從1000V以下做到1200V，甚至1500V，器件會有相應的變化。

以DC-DC為例，我們圍繞兩電瓶的Boost和三電瓶的Boost做了分析和測試對比。IGBT+硅FRD效率是96%；IGBT+碳化硅的SBD的方案效率還是保持20KHz的工作頻率，效率能夠做到98.6%，因為單純的碳化硅的二極管減小了反向恢復的電荷，在頻率保持不變的情況下效率可以提升1%-2%。把開關元器件也從硅基的IGBT換成SiC MOSFET二極管組合之后，提升0.6%-0.7%。

三電瓶的Boost做了相應的測試，沒有體現(xiàn)出來，還是一樣的，IGBT和硅FRD，中間是IGBT和碳化硅SBD還有SiC MOSFET，這樣碳化硅只是改變二極管的方案，工作都是20KHz左右，效率96%-97%。

碳化硅二極管之后效率已經(jīng)有比較大的提升，可以做到98.9%，接近99%了，這是一個成本友好型的解決方案，對于現(xiàn)有的設計不必變化太多，只需要更換一個pin to pin的碳化硅二極管可以實現(xiàn)。如果效率還有功率密度極致的追求，可能用到全碳化硅的方案，頻率也有相應的提升，做到99.3%的效率。

但是一旦用了碳化硅的器件，導通阻抗還有Vf的壓降都有提升，是不是我們用了全碳化硅的器件之后，就沒有必要再用三電平的解決方案？二電平如果能滿足EMI的條件下，器件數(shù)量更少，電路更精簡，設計難度更低，失效率更低，我個人還是覺得能從三電平換成碳化硅，切換成兩電平就用這個方案。

DC-DC的應用里面還有一個主要的分支就是儲能系統(tǒng)里面的直流變換，至少如果是存儲在低壓蓄電池里面，高壓側肯定需要ROC的，這種情況下，高壓側就比較適合把硅MOSFET換成SiC MOSFET，這樣耐壓輕易會有提升，而且逼導會低很多，集成的電容量會比硅器件低很多，無論是效率提升還有三電平變兩電平，電路簡化都是有優(yōu)勢的。

風電和光伏有一個特別不好的特點，就是間歇性、不穩(wěn)定性或者隨機性。如果可變可再生能源占比非常高，會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利的影響。

我們把儲能在可變可再生能源發(fā)展過程中增長的情況分為三個階段:一是萌芽期，這時風電、光伏等不穩(wěn)定的能源占比非常低，比如小于10&，對于儲能要求也不是很高；當可變可再生能源占比到10%-20%時，對儲能來講，它是一個初始的增長期；當占比超過20%，應用場景對儲能的要求會迅速提高。比如當很多光伏、風電還有儲能接入時，整個電網(wǎng)的柔性程度也逐漸升高。

而從成本和效率來看，總的能量輸出是跟整個儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命有關系，我們的燃料成本或者消耗掉的電能實際跟整個系統(tǒng)的效率，還有整個循環(huán)壽命過程中輸出的能量有關系，因為整個循環(huán)壽命輸出的能力非常大，所以效率有一個比較小的提升，實際上燃料成本的節(jié)約就會有很可觀的值。對于儲能系統(tǒng)來講，一個是要提升循環(huán)壽命，增加整個系統(tǒng)的能量的輸出，還有一個要降低系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)效果，降低燃料成本。

比如同樣一個1000KW工商業(yè)儲能變流器的拓撲，使用IGBT模塊，里面會有44顆芯片，整個內部的結構非常復雜。能不能通過使用碳化硅或者改變拓撲結構把芯片數(shù)量降下來？我們考慮用“T”形結構，使用碳化硅二極管，最后總共四個開關，里面只有12顆芯片，跟剛才的IGBT相比，芯片數(shù)量大概是原來的1/4左右，實現(xiàn)成本和效率的平衡。

對于未來SiC MOSFET的應用的幾個方向，現(xiàn)在出現(xiàn)2000V的SiC MOSFET，對于1500V系統(tǒng)以及未來出現(xiàn)2000V甚至3000V的光伏系統(tǒng)，那個時候可以直接采用二電平，不用三電平或者多電平的方式，結構更簡單，系統(tǒng)可靠性更高。

大電流的應用，在多聯(lián)、并聯(lián)在車規(guī)功率模塊當中很常見，單管目前應用比較少，未來主要是并聯(lián)使用克服單顆管子發(fā)熱損耗，因為MOSFET熱度比較大，需要通過多個并聯(lián)散熱，還有單顆比較低的器件成本比較高。

目前很多廠家提到應用SiC MOSFET對成本管控越來越高，碳化硅器件成本相對IGBT方案有一定難度，希望未來器件在良率的控制、性能的控制能提升，逐步實現(xiàn)規(guī)模效應，可以全碳化硅應用。高頻化的應用，提高產(chǎn)品的功率密度，降低產(chǎn)品的系統(tǒng)成本。

談到碳化硅的機遇，必然要提碳化硅的優(yōu)勢，碳化硅相比于硅基器件具有更高的寬禁帶，將近3倍的禁帶寬度，允許能夠有更低的漏電流，還具有2倍的電子漂移數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更好的開關速度，還有3倍的導熱率還有10倍的擊穿電壓強度，所以特別適合高壓應用的場景。

在光儲充市場，隨著用戶側儲能展現(xiàn)出的潛力，我們今天所提到的碳化硅的器件在大功率、功率模組上面的應用，也是結合這樣一個應用領域與背景下去提出的。

碳化硅器件包括的維度，包括頻率、電壓、電流、效率、可靠性、尺寸以及溫度，這方面不僅是一些維度，更是帶來了一些更多的挑戰(zhàn)：

以高頻來說，現(xiàn)在在工商業(yè)或者光儲充行業(yè)當中，實際的開發(fā)頻率并不是特別高，原因除了IGBT本身成本價格還具有一定的優(yōu)勢，短期內能夠有比較好的市場優(yōu)勢，更多的是高頻化，如何應用高頻化的問題，我們如何降低或者減少做到更低的回路電感降低參數(shù)。

對于高電壓來說，應用領域動輒上千千伏的電力要求越來越嚴苛，如何做到更大的功率更高的電壓，同時保證可靠性前提下確保成本以及不用更多的體積，也變成了挑戰(zhàn)。

隨著功率的變大，電流也相應變大，必然會用到更多多器件的并聯(lián)，對于器件并聯(lián)，問題包括了熱的平衡以及器件的動態(tài)均流、碳均流的問題。效率的角度來說，除了選用更好的器件，如何更好在應用層面上提高效率，如何突破傳統(tǒng)在設計過程當中影響效率的瓶頸，這也是非常有挑戰(zhàn)的話題。

由于光儲充市場運行是雙向運行或者長期滿載的狀態(tài)，要求非常高，對于綜合性的設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。碳化硅器件的芯片的導熱率非常高，但是尺寸非常小，熱密度非常高，對于散熱來說帶來了很大的挑戰(zhàn)。

另外一個問題，現(xiàn)在市場上很多疊加的技術非?？焖?，包括芯片尺寸的變化，各家的尺寸百花齊放，包括還有一些拓撲的原因，客戶的應用的封裝的形式不同，所以如何做到快速兼容，以上這些問題都是有巨大的挑戰(zhàn)。

原標題：大咖說｜碳化硅在光儲系統(tǒng)中的應用