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      工業和信息化部主管 中國電子報社主辦
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      半導體

      光伏熱帶火了IGBT

      在“碳中和”背景下,大力發展太陽能光伏等清潔能源產業已是大勢所趨。中國光伏行業協會最新報告顯示,2021年我國光伏新增裝機達54.88GW,同比增長13.9%,創歷史新高。歐美等國對光伏發電的投入也在不斷提高,2021年全球光伏年均新增裝機達到170GW。
      IGBT作為光伏逆變器(直流轉交流)的重要組成部分,在光伏等領域的應用極為廣泛。隨著光伏裝機量的持續增長,對IGBT的需求也迅速攀升。近來,市場上就不斷有關于國際大廠IGBT賣斷貨的消息傳出。這種形式也為國內IGBT產業的發展提供了有利的契機。



      2025年光伏IGBT市場規模將達百億元
      近年來,光伏產業熱潮不斷。2021年我國新增光伏發電裝機量達到54.88GW,連續9年穩居世界首位。中國光伏行業協會還預計2022 年我國光伏新增裝機量將達75G~90GW,2022-2025 年我國年均新增光伏裝機量達到83GW~99GW。與此同時,出口市場也不斷增長。日前,歐盟發布能源獨立路線圖,力求從天然氣開始,在2030年前擺脫對俄羅斯的能源進口依賴。3月15日,歐盟理事會通過了“碳邊境調節機制(CBAM)”。專家認為,歐洲大概率會加速光伏布局與應用,今年歐盟光伏新增裝機量可能會超出預期。
      在此情況下,作為光伏逆變器核心器件的IGBT,市場空間也被極大拓展。對此,賽晶科技董事會主席項頡就指出,目前世界各國對氣候變暖的嚴峻性和迫切性已經有了共識,包含中國在內的許多國家均相繼出臺“碳中和”目標。為了達成這一目標,需要在發電、輸配電和用電等環節均需要采取相關的措施。這樣就需要在能源和產業結構、技術和標準,以及配套的政策等諸多方面,構建可持續發展的綠色能源發展體系。作為光伏逆變器中的核心元器件,IGBT一定會受到這一市場發展的直接帶動。
      英飛凌相關負責人也表示,未來十年,電動化和數字化將成為產業和社會發展的重要推動力。電動化涉及發電、輸變電、儲能、用電在內的電力價值鏈各個環節,而光伏是其中的發電環節。包括IGBT在內的功率半導體在整個電力價值鏈中扮演著重要角色。隨著電動化的推進,未來功率半導體的市場規模將會不斷成長。
      據介紹,光伏逆變器是太陽能光伏系統的核心組件,可將太陽電池發出的直流電轉化為符合電網電能質量要求的交流電,并配合一般交流供電的設備使用。光伏逆變器的性能可以影響整個光伏系統的平穩性、發電效率和使用年限。而在逆變電路中,都需使用IGBT等具有開關特性的半導體功率器件,控制各個功率器件輪流導通和關斷,再經由變壓器藕合升壓或降壓,最終實現交流轉直流的轉換。
      值得注意的是,逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10-15年,而光伏組件的運營周期是25年,所以逆變器在光伏組件的生命周期內至少需要更換一次。這也進一步擴大了IGBT在光伏系統中的使用量。
      項頡估算,2021年中國光伏市場對IGBT的需求約為15億元。如果加上中國逆變器廠家出口逆變器的需求,這一規模近40億元。隨著市場對可再生能源需求的提升,對IGBT需求也將持續增長,預計到2025年,新增裝機容量加上替換裝機容量的IGBT需求將達百億元規模。
      光伏IGBT對可靠性要求非常高
      目前,車用市場與光伏系統是IGBT最大的兩個應用市場,也最受行業關注。IGBT技術也在貼合這兩大市場的需求不斷發展。項頡表示,為了滿足電動車電驅系統的輕量化和高功率密度,車用IGBT需要實現低功率損耗和高開關頻率。此外,電動車的拓撲是典型的三相逆變器橋,因此,汽車電驅IGBT模塊一般采用6in1模塊封裝或者半橋模塊封裝。
      相對而言,光伏電池板的電壓具有多樣性,因而光伏逆變器采用的拓撲結構也不相同,微型逆變器一般采用IGBT單管的分立器件方式;1000V組串光伏逆變器采用T型三電平模塊;1500V組串逆變器應用的是I型三電平模塊;1500V集中式逆變器采用了半橋模塊來配置I型三電平拓撲。也就是說,IGBT應用在不同的光伏逆變器上時,需要根據系統配置的實際需求選用不同特性和封裝的產品。
      受應用端的影響,IGBT也展現出不同的技術趨勢。首先光伏IGBT對于可靠性的要求會非常高。光伏是將直流電逆變到交流電,再上傳到電網?!斑@種線路不像工控領域,因為擔心過載,工控領域往往對IGBT模塊降壓使用,比如模塊的額定電流為100A,降等用于40A-50A。光伏逆變器企業基本上會把IGBT模塊性能用到極致,所以對IGBT芯片的可靠性要求也要高于工控領域?!庇邢嚓P研發人員告訴記者。
      ,對于光伏用功率模塊技術的發展,可以從芯片設計、封裝和模塊制造等幾個方面來展開,確保產品的可靠性。對于芯片技術,一是對硅IGBT和二極管等進行性能的優化和升級;二是采用SiC等新材料,其中組串逆變器對SiC二極管的需求已經越來越廣泛。在封裝方面,需要滿足可靠性的要求,同時也需要考慮新器件的采用,比如使得SiC器件充分發揮性能的低雜散電感封裝等。在模塊的制造方面,需要采用嚴格的制造過程保證模塊的一致性和可靠性,同時需要采用綠色制造工藝和環保材料等,為可持續發展的社會做出貢獻。
      另一個值得注意的趨勢是,隨著近年來分布式光伏市場的迅速增長,將對IGBT單管提出更高要求。國家能源局2021年5月提出“在確保安全前提下,鼓勵有條件的戶用光伏項目配備儲能”“戶用光伏發電項目由電網企業保障并網消納”。在相關政策助力下,分布式光伏與配儲有望迎來規?;l展。分布式光伏主要采用IGBT單管解決方案。在需求的驅動下,IGBT單管有望迎來一波新的發展。
      碳化硅 IGBT將成為市場的寵兒
      近年來,碳化硅等寬禁帶半導體在太陽能光伏系統中也有了越來越廣泛的應用。瑞能半導體CEO Markus Mosen向記者指出,碳化硅功率半導體產品在能源應用中將成為市場的“寵兒”,碳化硅功率半導體憑借其低功耗、長壽命、高頻率、體積小等技術優勢,在光伏等領域具備較強的替代潛力。
      目前,SiC MOSFET和SiC二極管在在光伏發電市場的應用越來越多。得益于SiC材料的低損耗且能夠有效降低光伏發電的系統成本,SiC二極管在微型逆變器和組串逆變器上已經得到驗證以及應用。隨著SiC晶圓成本的降低和良品率的提升,SiC MOSFET的成本持續降低。在可以預見的未來,SiC MOSFET的應用也將擴展到微型逆變器和組串逆變器當中。下一步,碳化碳器件廠商將會開發適用于光伏逆變器應用的高壓SiC MOSFET,使得SiC MEOSFET的應用領域擴展到大功率組串逆變器和集中式逆變器當中。
      相對而言,目前SiC IGBT受限于良品率與應用場景等問題,還沒有規?;纳虡I應用。對此,英飛凌負責人表示,SiC IGBT用于萬伏以上的高壓,尚處于研究階段,還未看到商業應用。項頡也表示,目前業界的共識一般是在萬伏以上才會考慮應用SiC IGBT。作為寬禁帶器件,在1萬伏以下的應用場景中采用SiC MOSFET就可以滿足需求了。在萬伏以下應用,SiC IGBT在性能沒有體現出優勢,因為在此范圍內SiC IGBT的飽和壓降比SiC MOSFET的壓降更高,同時在制造工藝上,SiC IGBT更加復雜,成本也更高。
      不過相關專家也指出,我國地域遼闊,經濟處于快速發展階段,對電力特別是光伏等清潔能源的電力需求正在快速增長。隨著“西電東送”等超大型電力工程的持續推進,研究和發展特高壓交流輸變電技術是十分必要的。相信能夠勝任高功率工作場景的SiC IGBT,未來同樣具有廣闊的發展空間。

      責任編輯:陳炳欣


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