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光伏储能市场一触即发！碳化硅光伏逆变器风光无限
2022-02-14 08:00:00
据统计，截至2021年三季度，我国光伏发电机累计装机量达275GW，同比增长25%，累计新增装机量 22GW，同比增长 45%。并在十四五规划中明确指出，到2025年我国光伏发电系统装机量有望突破400GW大关。
如今光伏产业已迈入快速成长阶段，并带来了数百亿的市场规模。得益于光伏产业的发展，在光伏储能系统中构建成本将近两成的光伏逆变器也迎来了发展的新契机，吸引了不少玩家进入光伏储能逆变器这一赛道中激烈的角逐。
从行业发展角度与能源利用率来看，碳化硅光伏逆变器有望替代传统的硅基光伏逆变器，并成为行业发展的重点。据了解，使用碳化硅功率器件的光伏逆变器在系统转换效率方面能够很好的保持在96%以上，甚至可以达到99%，在能量损耗以及设备使用寿命方面也得到了不同程度的优化。根据 CASA 预测，到2048年在光伏逆变器中，高效、低损耗的碳化硅功率器件占比有望达到85%以上。
截至目前，在光伏逆变器领域中英飞凌、富士电机、三菱电机、安森美、阳光电源等一众企业就碳化硅的应用已经进行了深入的布局，并成功开发出了量产产品。
被阳光电源采纳的英飞凌1500V光伏逆变器的碳化硅模块
英飞凌早已嗅到碳化硅带来的商机，并依托在硅基功率器件领域的决定性优势，大力发展碳化硅功率器件。
截至目前，英飞凌在碳化硅领域已经积累了将近20年的研发经验，于2002年英飞凌推出了业界首款碳化硅的肖特基级二极管，2010年推出了基于碳化硅的分立器件，2012年成功开发出了面向光伏逆变器应用的1200V碳化硅JFET“CoolSiC产品群”，并于同年进入投产阶段。在2016年又实现了新的突破，推出了面向光伏逆变器应用且基于CoolSiC沟槽栅设计的碳化硅MOSFET产品，助力终端应用小型化，提高产品的功率密度与转换效率，压缩系统成本。
图源：阳光电源
2020年，英飞凌为阳光电源打造了一款定制化的EasyPACK™ 3B模块，并成功运用在了阳光电源的SG250HX系列组串式逆变器中，支持1500Vdc和800Vac的高压应用，系统效率最高可达到99%。
这款定制型的EasyPACK™ 3B模块融合了英飞凌在硅与碳化硅两大领域的优势技术，模块内部集成了额定电流为400A的ANPC IGBT模块，耐压等级为1200V的CoolSiC™肖特基二极管，发射基级二极管以及一个三电平的IGBT模块构成。该模块采用了安全可靠的压接工艺，简化了模块的安装流程，减少了机械固定的工作量。
得益于英飞凌的技术支持，实现了阳光电源250kW逆变器SG250HX小型化、轻量化的设计，逆变器的尺寸为1051x660x363mm，质量也控制在了100kg以内，功率密度也达到了1000W/L。
被台达光伏逆变器采纳的安森美全碳化硅功率模块
此前，安森美推出了一款全碳化硅集成的功率模块NXH40B120MNQ，该功率模块是专为光伏逆变器应用研发的一款产品，能够满足在光伏储能应用中实现高功率效率所需的低反向恢复电流和快速导通与关断功能，侧面地展示了安森美在碳化硅功率器件领域的技术优势。
功率模块拓扑 图源：安森美
上图为该全碳化硅功率模块的内部电路拓扑，模块内部由两个相互独立升压级和一个热敏电阻构成，其中MOSFET采用的是耐压等级为1200V，导通电阻为40mΩ的碳化硅MOSFET。在各个升压级处还包含了一个1200V/40A碳化硅升压二极管，以及两个1200V/50A的旁路整流器用于控制浪涌电流。在该电路中引入全碳化硅的功率器件，能够使该集成模块支持更高的开关频率和更低的导通电阻，实现降低开关损耗，将电源转换的能效实现最大化。同时更高的开关频率有助于减小光伏逆变器的体积与设计成本。
目前这款全碳化硅的功率模块已经被台达的三相光伏组串式逆变器产品组合M70A所采用，并且在实际应用中能量转换效率最高可达98.8%。
结语
耐高温/高压、高频、大功率的电气特性使碳化硅成为电力电子、射频等领域的宠儿，并且新能源汽车、光伏储能、充电桩等终端设备对碳化硅技术的应用已经非常成熟，在全球碳中和的驱动背景下，碳化硅的应用与市场规模将会上升到一个新的高度。
如今光伏产业已迈入快速成长阶段，并带来了数百亿的市场规模。得益于光伏产业的发展，在光伏储能系统中构建成本将近两成的光伏逆变器也迎来了发展的新契机，吸引了不少玩家进入光伏储能逆变器这一赛道中激烈的角逐。
从行业发展角度与能源利用率来看，碳化硅光伏逆变器有望替代传统的硅基光伏逆变器，并成为行业发展的重点。据了解，使用碳化硅功率器件的光伏逆变器在系统转换效率方面能够很好的保持在96%以上，甚至可以达到99%，在能量损耗以及设备使用寿命方面也得到了不同程度的优化。根据 CASA 预测，到2048年在光伏逆变器中，高效、低损耗的碳化硅功率器件占比有望达到85%以上。
截至目前，在光伏逆变器领域中英飞凌、富士电机、三菱电机、安森美、阳光电源等一众企业就碳化硅的应用已经进行了深入的布局，并成功开发出了量产产品。
被阳光电源采纳的英飞凌1500V光伏逆变器的碳化硅模块
英飞凌早已嗅到碳化硅带来的商机，并依托在硅基功率器件领域的决定性优势，大力发展碳化硅功率器件。
截至目前，英飞凌在碳化硅领域已经积累了将近20年的研发经验，于2002年英飞凌推出了业界首款碳化硅的肖特基级二极管，2010年推出了基于碳化硅的分立器件，2012年成功开发出了面向光伏逆变器应用的1200V碳化硅JFET“CoolSiC产品群”，并于同年进入投产阶段。在2016年又实现了新的突破，推出了面向光伏逆变器应用且基于CoolSiC沟槽栅设计的碳化硅MOSFET产品，助力终端应用小型化，提高产品的功率密度与转换效率，压缩系统成本。
图源：阳光电源2020年，英飞凌为阳光电源打造了一款定制化的EasyPACK™ 3B模块，并成功运用在了阳光电源的SG250HX系列组串式逆变器中，支持1500Vdc和800Vac的高压应用，系统效率最高可达到99%。
这款定制型的EasyPACK™ 3B模块融合了英飞凌在硅与碳化硅两大领域的优势技术，模块内部集成了额定电流为400A的ANPC IGBT模块，耐压等级为1200V的CoolSiC™肖特基二极管，发射基级二极管以及一个三电平的IGBT模块构成。该模块采用了安全可靠的压接工艺，简化了模块的安装流程，减少了机械固定的工作量。
得益于英飞凌的技术支持，实现了阳光电源250kW逆变器SG250HX小型化、轻量化的设计，逆变器的尺寸为1051x660x363mm，质量也控制在了100kg以内，功率密度也达到了1000W/L。
被台达光伏逆变器采纳的安森美全碳化硅功率模块
此前，安森美推出了一款全碳化硅集成的功率模块NXH40B120MNQ，该功率模块是专为光伏逆变器应用研发的一款产品，能够满足在光伏储能应用中实现高功率效率所需的低反向恢复电流和快速导通与关断功能，侧面地展示了安森美在碳化硅功率器件领域的技术优势。
功率模块拓扑 图源：安森美上图为该全碳化硅功率模块的内部电路拓扑，模块内部由两个相互独立升压级和一个热敏电阻构成，其中MOSFET采用的是耐压等级为1200V，导通电阻为40mΩ的碳化硅MOSFET。在各个升压级处还包含了一个1200V/40A碳化硅升压二极管，以及两个1200V/50A的旁路整流器用于控制浪涌电流。在该电路中引入全碳化硅的功率器件，能够使该集成模块支持更高的开关频率和更低的导通电阻，实现降低开关损耗，将电源转换的能效实现最大化。同时更高的开关频率有助于减小光伏逆变器的体积与设计成本。
目前这款全碳化硅的功率模块已经被台达的三相光伏组串式逆变器产品组合M70A所采用，并且在实际应用中能量转换效率最高可达98.8%。
结语
耐高温/高压、高频、大功率的电气特性使碳化硅成为电力电子、射频等领域的宠儿，并且新能源汽车、光伏储能、充电桩等终端设备对碳化硅技术的应用已经非常成熟，在全球碳中和的驱动背景下，碳化硅的应用与市场规模将会上升到一个新的高度。
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