碳化硅光伏逆变器发展现状

1、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

2、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

3、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

4、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 IndustryINSIGH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

5、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

6、 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 击穿电场高的特性使得

7、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SiC 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

8、 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。（

9、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 iC 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

10、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 Si 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 S

11、BD ， 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 ger s大学研制出击穿电 压为 10.8k V、导通电阻为 97m cm2 的 SiC SBD 。2008 年，东芝公司报道了一 种 Super-S BD，其特性接近 4H-S iC 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 m 2）。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

12、 R E E公司也推出了具有相同性能的 SiC SB D。同在 2011 年，国内第一家致力 于 Si 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）新材料产业 NO.9 2014 35透 视 INSIGHT万百/元美02005 2006 2007 2008 20092010 2011 2012 2013 2014E 2015E年份图 1 全球 SiC 器件的市场份额工频变压器电网图 2 工频隔离型逆变器工作示意图有限公司（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

13、 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 、 5001700V 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

14、 ）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 OS 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

15、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

16、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图 3 高频隔离型逆变器工作示意图电网三、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

17、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。36 Advanced Materials IndustryINSIGH电网图 4 单级式非隔离型逆变器工作示意图D C - D C电路，通常是 B o o st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，

18、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。图 5 两级式非隔离型逆变器四、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 C S 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

19、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%

20、，可以使逆变器损耗 降低 25%。这些太阳能设备的使用寿命一般都长于 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

21、 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 SiC 型 JFE “T C o

22、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 iC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

23、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透 视 INSIGHT采用 SiC 半导体的光伏发电用逆变器司称此为“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

24、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 SiC 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

25、，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，估计损耗还将减少 60%左右。坂本幸隆介绍说， “ 采 用S