碳化硅光伏逆变器发展现状.docx

透 视INSIGHT碳化硅光伏逆变器发展现状 文 / 孙凯陈彤张瑜洁泰科天润半导体科技（北京）有限公司一、碳化硅功率器件的重要性从工业革命到现在，能源作为人 类生活和工业水平进步的基础，有着 极其重要的地位。当前人类获取使用 的能源多数是不可再生能源，但随着 世界经济发展，工业水平提高，能源的 需求量也将越来越大，单一使用化石 能源显然会越来越难以满足目前世界 工业和经济发展的需求。现在世界上 许多国家都在倡导可再生能源的利 用，其中太阳能呼声较高。太阳能开发 方便，不需要运输和开采 ；不会对环 境造成负担 ；总量巨大可以说取之不 尽、用之不竭。光伏效应可以将太阳能 转化成电能，这成为利用太阳能的一 种有效手段。1992年“世界环境与发展大会”通 过的里约热内卢环境与发展宣言、21世纪议程和联合国气候变化框架公约等重要文件，着重关注环境和 发展，确立了可持续发展的模式。此 后，世界各国都更加注重利用开发太 阳能。中国政府对此也高度重视，制定 了中国 21世纪议程和新能源和可 再生能源发展纲要等文件，进一步明 确了太阳能重点发展项目，坚定了大 力发展太阳能的决心，同时也刺激了 国内光伏行业的发展。近几十年来，全球范围内的光伏 电池产量逐年增加，年均增长率超过50%。尤其进入 21世纪后，这一增速更 快。我国也紧跟潮流，2007年之后，我 国光伏产业发展速度远超全球平均水 平。2010年，全球共生产光伏电池容量 为1 600万k W，其中我国占 60%以上。同年，全球光伏发电总装机容量接近4 000万k W，大部分应用在发达国家市场 ；其中德国作为发展光伏产业的 领头羊 2010年新增装机容量占全球 装机总量的近 20%。随着太阳能光伏 产业的发展，各项技术日渐成熟，使得 各部分的成本都得以降低，光伏发电 的经济性大幅提高。为了实现光伏并网发电，其中的 一项关键技术就是逆变器，用于将光 伏效应产生的直流电转换成交流电， 便于并入电网加以利用，因此光伏并 网逆变器是光伏发电技术的核心，逆 变器的工作效率很大程度上决定了太 阳能的利用效率。研究光伏并网逆变 器对于发展清洁能源、减少环境污染 具有深远的意义。电力半导体器件是光伏并网逆变 器的核心部件。现如今在电气行业中 34 Advanced Materials IndustryINSIGHT击穿电场高的特性使得其实现输变 电技术对功率半导体器件的耐高压 的要求变得更加容易。（3）SiC 功率器件的比导通电阻小功率半导体器件的比导通电阻 跟材料击穿电场的立方成反比。由于 S i C的击穿电场是S i的 10倍左右，所 以S i C器件比S i器件的比导通电阻要 小得多。也就是说，在击穿电压相同的 情况下，S i C器件的比导通电阻值只 有Si器件的百分之一。SiC器件较低的比导通电阻可以使系统的损耗降低， 从而使系统效率得到提高。（4）SiC 材料的热导率高S i C材 料 的 热 导 率 大 约 为 4.9W /（c mK），这个值比S i材料和 G a A s材料分别高大约 3 10倍。鉴于 S i C的这个优势，如果集成电路采用 S i C材料来制作，就可以使散热系统 得到极大的减少，也就可以使装置的 质量以及体积得到有效地减小，进而 使系统的集成度得以提高，并且在高 温以及高辐射的环境中使整个系统的 稳定性和可靠性得到很好的改善。比 如S i C场效应晶体管（J F E T）在 500 下加压测试，成功工作 2 000h，器件性 能并没有发生明显改变，表现出器件良好的可靠性。S i C器件高温传感器， 探测器和电子控制系统已经成功应用 于各种高温环境，例如石油勘探、宇宙 飞船、钻井等，克服了传统材料在高温 应用方面的缺陷。（5）电子饱和漂移速度高S i C材料的电子饱和漂移速度是 Si材料的 2.5倍左右，因此具有开关速 度快和电流密度高的优势，因此特别 适合高频和大功率方面的应用。由于S i C功率器件具有高击穿电 压，高工作频率且耐高温等 优势，同 时比导通电阻以及开关损耗也较小，所以采用S i C功率器件可以很大程度地降低系统的功耗以及减小系统的 质量和体积。特别是在高频、高 温和 大功率电力电子应用领域，S i C电力 电子器件优异的电气性能使其具有 S i半导体器件难以比拟的巨大应用 优势和潜力。因此，在相同的功率等级下，使用 S i C器件来代替S i器件可以在大幅提 高光伏并网逆变器变换效率的同时， 还可以通过提高光伏并网逆变器的开 关频率，减小滤波元件的体积 ；并通 过提高光伏并网逆变器的高温运行能 力，降低散热设计的难度和成本。2.SiC 功率器件的发展早在 20世纪 90年 代，就有学者 开始对S i C功率器件进行研发，在S i C 发展的这 20年中，主要的研究方向是 S i C整流器。其中，发展速度最快的是 SiC肖特基二极管（SBD）的研发，由于 SiC SBD的反向恢复时间比Si SBD 小得多，所以S i C S B D的反向恢复 现 象 可 以 忽 略 不 计。2001年，英 飞 凌（Infineon）公司推出首款SiC SBD， 随后CREE公司和Microsemi公司也 相继推出了SiC SBD产品，预示着SiC 功率器件开始进入商业市场。2003年， 美国R u t g e r s大学研制出击穿电压为10.8k V、导 通 电 阻 为 97m c m2的 SiC SBD。2008年，东芝公司报道了一 种Super-SBD，其特性接近4H-SiC材料 极限，该器件具有高达 27kV的击穿电压 以及超低的导通电阻（257mc m2）。2009年，I n f i n e o n公司推出了新一代 的SiC SBD产品，最高耐压为 1.2kV， 最大电流为 20A。2011年，C R E E公司 也推出了具有相同性能的SiC SBD。 同在 2011年，国内第一家致力于S i C 功率器件研究、设计和生产的高科技 企业泰科天润半导体科技（北京）使用的各种半导体器件多以硅( S i )材料为基础，已经发展得相当成熟。S i是 一种半导体材料，被广泛应用于各种 电子管和集成电路。随着电力半导体 器件使用场合日益丰富，在一些对性 能要求较高以及工作环境较恶劣的应 用场合，硅器件的使用便受到限制，这 就要求人们开发性能更优越的半导体 器件，于是，碳化硅（S i C）等宽禁带半 导体器件应运而生。二、SiC 功率器件的优势及发展1.SiC 功率器件的优势S i C半导体作为继硅和砷化镓之 后 的“第 3代半 导体”，是目 前最 受人 们关注的功率器件材料。S i C属于宽 禁带半导体材料，在功率器件制造方 面具有非常广阔的前景。相比于S i材 料，S i C等宽禁带半导体材料具有以 下优势 ：（1）SiC 材料的禁带宽度大半导体材料的禁带宽度决定其器 件的工作温度，材料禁带宽度的值越 大，器件的工作温度也就越高。因此， 在高达 600的温度下，S i C器件仍然 可以正常工作，而且S i C还具有很好 的抗辐射能力。由S i C制成的高温集 成电路可以在一些航空设备、核能仪 器、卫星、空间探测器、地热井等方面 发挥其在高温方面的独特优势。（2）SiC 材料的临界击穿电场高SiC的临界击穿电场约为3MV/cm， 这个值大约为Si器件的 10倍、砷 化 镓（G a A s）器 件 的 5倍 左 右。与S i同 种 类型的功率器件相比，S i C功率半 导体器件可以在更高的工作电压下 工作，例如S i肖特基二极管的击穿 电 压 一 般 为 100 200V ，而S i C 肖特基二极管的击 穿电压可以达 到 1 000 2 000V。因 此，S i C临 界新材料产业 NO.9 2014 35 透 视INSIGHT有限公司（以下简称“泰科天润”）在北京注册成立。泰科天润在北京拥有一 座完整的半导体工艺晶圆厂，可在 4 英寸的S i C晶圆上实现半导体功率器 件的制造工艺，该公司于 2014年起已 经 可 以 批 量 生 产 发 售 2-100A、500-1700V范围内的S i C肖特基二极管，器 件特性达到国际先进水平，其他S i C 功率器件，如SiC BJT、SiC JFET等 也都在研发中。目前，SiC SBD的主要 应用领域有功率因数校正器、太阳能/风能逆变器、工业电机驱动装置、输 出整流器 、混合电动汽车 / 电动车 的充电器以及家电应用。与此 同时，S i C其 他类 型的功 率 器件如J F E T、金属氧化物半导体场 效应管（M O S F E T）和绝缘栅双极型 晶体管（I G B T）的制造技术也在非常 快速的发展，许多国内外的科研院所 以及半导体公司都将S i C功率器件作 为重点研究对象，推进S i C功率器件 实现商业化。目前，一些国外知名企 业，如罗姆、C R E E等公司已经开始实 现反向电压为 600V和 1 200V的 功 率 M O S F E T的商业化。国外某市场调查 公司预测的全球目前S i C器件的市场 份额如图 1所示。可以看出，S i C的市 场份额在逐年增加，相信随着S i C的 不断发展，S i C最终会成为制作功率 器件的主要材料。因此，商业化逆变器 采用S i C功率器件作为其主要的电力电子器件变得越来越容易实现。1. 隔离型光伏逆变器工频隔离型变压器是最常见的一 种方式，期工作示意图如图 2所示。太 阳能板P V产生直流电，经过一个逆变 器转变为交流电，这个交流电的相位 可以经过控制，与电网电压保持一致， 但它的幅值与电网电压幅值不同，所 以要经过一个工作频率为电网电压工 作频率的变压器，才能接入电网。但工 频变压器效率不高，导致整个逆变器 效率较低。高频隔离型逆变器工作示意图如 图 3所示。比工频隔离型逆变器多了 一个D C - D C（只对直流参数进行变 换的电路）环节，可以提高变压器的工作频率而不受电网频率的限制。这样做的优点是减小了变压器的体积和质 量，增加了逆变器的功率密度。2.非隔离型光伏逆变器在隔离型光伏逆变器中，电能会 转化为磁能,然后又转化为电能，这个 转化的过程会产生能量损耗，同时也 增加了逆变器的体积。为了提高光伏 逆变系统的效率，可以采用非隔离型 的方案，非隔离型根据电路拓扑可分 为单级式以及多级式。在单级式中，光 伏阵列输出通过逆变器直接并网，因 此要求光伏阵列的输出电压较高,达 到直接并网的电压等级。对于两级式 光伏逆变系统，逆变电路之前有一级10008006004002000200520062007 2008 20092010 2011 2012年份2013 2014E 2015E图 1 全球 SiC 器件的市场份额电网工频变压器图 2工频隔离型逆变器工作示意图三、光伏逆变器的基本类型从是否含有隔离变压器的角度， 光伏并网逆变器可以分为隔离型和非 隔离型 2大类。隔离型逆变器可以根 据工作频率分为工频和高频 2种 ；非 隔离型逆变器根据构成不同可以分为 单级和多级 2种。电网高频变压器图 3 高频隔离型逆变器工作示意图 36 Advanced Materials Industry美元/百万DCACPVACDCDCACDCACPV透 视INSIGHTD C - D C电路，通常是B o o s t电路，以增加对光伏阵列的输出电压范围的适 应性。单级式非隔离型逆变器工作示 意图如图 4所示。将太阳能板输出直 接逆变为电网电压，对逆变器输出电 压的控制要求较高。两级式非隔离型变压器工作示意 图如图 5所示。将太阳能板的输出电 压先经过一个D C - D C变换器升压， 经过解耦电容后再进行逆变，接入电 网。解耦电容可以解决输入输出功率 不匹配的问题。电网图 4 单级式非隔离型逆变器工作示意图电网四、SiC 光伏逆变器备受关注S i C肖特基二极管现在已经 在太阳能逆变器市场中得到应用， 欧洲市场尤为多见。由于采用S i CS B D可以使整个系统的效率提高， 所以许多太阳能设备制造商纷纷开 始转向这一技术。太阳能面板的功 能是将采集来的太阳能转化为正向 直 流 电压。再 采 用升 压 转换 器，将 转 化成的直流正电压升高到一个恒定 直流电压，这个升压转换器在高频 开关操作。S i C S B D能消除升压二 极管的开通损耗，从而提高了升压 段的效 率。然 后，再使用一个逆变 器，将此恒定直流电压转换为可用 的交流电压，此交流电压的频率保 持恒定。S i C S B D不仅能消除此段 续流二极管中的二极管开关损耗， 同时也能降低I G B T开通损耗，从而 使逆变器的效率得到显著提高。如 果采用效率更高的系统，太阳能面 板采集的太阳能就能更多地转化为 可用的电 能。采用碳化硅器 件，转 换器的平均工作效率能从S i器件转 换器接近 96%的平均工作效率提升 至 97.5%，可以使逆变器损耗降低 25%。这些太阳能设备的使用寿命一图 5 两级式非隔离型逆变器般都长于 30年，因此，如果逆变器采用碳化硅器件，就能显著提高节能 效益。众企 业一致 认为，S i C逆变器 受 到各方面关注的原因大致有 3个 ：首 先，使用S i C二极管的逆变器，可以使 系统的电力损失得到减少。相比于S i 二极管，使用S i C二极管可以减少约30的损失。其次，S i C二极管可以使 逆变器的体积和质量大大减小。这是 由于S i C散热快，缩小了系统的冷却 机 构。利 用S i C二极 管，可使逆变器 的体积和重量减少 40%60左右。 第三，S i C逆变器已在日本市场得到 实际验证。东京地铁（Tokyo Metro） 银座线的新“01系列车”就采用了S i C 逆变器，不仅降低了逆变器的电能损 耗，还提高了电能再生性能，从而降低 了耗电量。据报道，在行驶所用电力中 返回到输电线的通过回收制动能量得 到的电力所占的比例(再生率)由原来 的 22.7%提 高 到 了 51.0%，其 节 能 效 果已被实际验证。五、SiC 逆变器开发实例1. 英飞凌推出用于光伏逆变器的SiC 型 JFET德国Infineo n开发出了适 用 于 光 伏 发 电用逆变器 的耐压为 1 200V的 S iC型JFE T“C o o lS iC产品群”，并在2012年 5月 8-10日于德国举行的电源 技术展会“PCIMEurope2012”上宣布 投产。新产品的主要用途为光伏发电 的逆变器装置。如果采用S i C型J F E T 代替现有逆变器装置中使用的IGBT， 便可以实现装置的小型轻量化。这是 因为新产品可实现高于I G B T的工作 速度，也就是说，即便提高工作频率， 也能降低开关损耗。因此，电感 器以 及电容器等被动元件可使用小型产 品，所以能够实现整个装置的小型轻 量化。2. 日本电装试制出输出功率密度 高达 60kW/L 的 SiC 逆变器日本电装试制出了采用S i C功率 元件制成的逆变器。该逆变器的特点 是输出功率密度高达 60k W / L，该公新材料产业 NO.9 2014 37 DCDCDCACPVDCACPV透 视。INSIGHT司称此为“全球最高水平”。该试制品将原来的S i功率器件改为S i C功率器 件，同时改进了功率元件内部的构造 以及逆变器模块内的布线，实现了低 电阻化，从而降低了电力损耗，使发热 量比原产品减少了 68%。3. 富 士 电 机 推 进 SiC MOSFET 实用化，首先用于光伏逆变器富士电机开始推进SiC MOSFET 的实用化。最初打算用于该公司 2014 年 8月开始量产的大型光伏电站用逆变 器，该逆变器的输入电压为D C1 000V、 输出功率为 1 000k W。该公司已经推出 了S i C二极管产品，在逆变器的升压电 路中采用了配备该SiC二极管和该公司 的SiC MOSFET的功率模块，由此提高 了转换效率并实现了小型化。新款逆变 器的转换效率为 98.8%，属于“行业最 高水准（”富士电机），该公司以前产品 的效率为 98.5%。逆变器新产品的尺寸 为 2 980m m 1 900m m 900m m， 体积比原产品小 20%。体积减小后，无 需分拆即可搬运。以前，1 000k W级的 逆变器尺寸较大，一般需要拆开来搬 运，富士电机称“此次是业内首次实现1 000kW级的一体型室内机”。该逆变器 配备的SiC功率元件在富士电机的工厂 生产，采用的是 6英寸的SiC晶圆。4. 田渊电机在光伏逆变器中采用 SiC 二极管田渊电机是日本首家在光伏逆变 器中采用S i C二极管的企业。该公司 的常务执行董事坂本幸隆表示“随着 光伏发电需求的增加，光伏逆变器的 销量越来越大。量产效果应该有助于 降低功率半导体的成本”。该公司采用 S i C二极管的逆变器通过减少开关损耗和导通损耗，大幅降低了转换损失。 虽然目前仍需组合采用I G B T，但今 后，通过完全采用S i C，估计损耗还将采用 SiC 半导体的光伏发电用逆变器减少 60%左右。坂本幸隆介绍