通過(guò)元器件升級，提高功率密度一直是光伏逆變器的提效降本最主要方式：效率更高，體積更小，發(fā)熱量更低，同時(shí)耐高溫性能更好也讓產(chǎn)品更加可靠。近年來(lái)，集中式逆變器的箱體越來(lái)越小是功率器件升級的最直觀(guān)體現，而同樣體積的中小型逆變器，功率則提高了數倍，目前組串式光伏逆變器功率做到了275kW，與功率器件升級密不可分。
一直以來(lái)，光伏逆變器元器件環(huán)節長(cháng)期被國外廠(chǎng)商占據大部分市場(chǎng)份額，但現在，國產(chǎn)功率器件將有望打破壁壘，利用第三代半導體的機會(huì )彎道超車(chē)，助力中國光伏逆變器企業(yè)順利推出下一代解決方案，讓光伏迎來(lái)新一輪的提效降本技術(shù)熱潮。
第三代半導體技術(shù)與光伏新時(shí)代
半導體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三次技術(shù)迭代。
第一代半導體材料
是鍺與硅，也是目前最主流的半導體材料，成本相對便宜，制程技術(shù)也最為成熟，應用領(lǐng)域在信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及微電子產(chǎn)業(yè);
第二代半導體材料
包括砷化鎵以及磷化銦，主要應用在射頻通訊產(chǎn)業(yè)以及光電產(chǎn)業(yè);
第三代半導體
以碳化硅以及氮化鎵為代表，可應用在更高階的高壓高頻的功率元件領(lǐng)域。
碳化硅(SiC)的擊穿電壓是傳統硅器件的十倍以上，并具有比硅更低的導通電阻，柵極電荷和反向恢復電荷特性，以及更高的熱導率。這些特性意味著(zhù)SiC器件可以在比硅器件更高的電壓，頻率和電流下切換，同時(shí)更有效地管理散熱。由于功率轉換效率與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)，因此碳化硅器件既可以處理比硅器件更高的電壓，又可以確保超高開(kāi)關(guān)和導通頻率。
在光伏領(lǐng)域之外，碳化硅器件對比硅器件也有非常大的優(yōu)勢。采用碳化硅器件的電動(dòng)汽車(chē)可以有效提高行駛里程，減小部件梯級降低系統噪聲。
以光伏逆變器為例，對功率半導體器件性能指標和可靠性要求日益提高，更高的工作電壓、更大的工作電流、更高的功率密度以及更高的工作溫度都將是未來(lái)的挑戰。隨著(zhù)行業(yè)邁入“后1500V”以及“20A大電流”時(shí)代，要建成更大組串，進(jìn)一步降低成本，目前常見(jiàn)的有兩種辦法：
一是降低組件工作電壓，另一種方法是提高電站的電壓等級，近年來(lái)光伏電站電壓等級從1000V提升至1500V，就必須使用第三代半導體材料也就是碳化硅功率器件。據了解，目前業(yè)內也在研發(fā)1700V甚至2000V及以上電壓等級技術(shù)，因此可以說(shuō)未來(lái)的光伏功率器件領(lǐng)域一定是以碳化硅為主動(dòng)器件的市場(chǎng)驅動(dòng)。
光伏逆變器龍頭陽(yáng)光電源在2018年累計出貨了超過(guò)15萬(wàn)臺使用碳化硅功率器件的光伏設備，其中已經(jīng)累計使用超過(guò)150萬(wàn)顆碳化硅功率器件。其明確指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，顯著(zhù)提高開(kāi)關(guān)頻率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系統成本和運維成本。
在器件、模塊制造環(huán)節，我國已出現了一批優(yōu)秀的企業(yè)，包括三安集成、泰科天潤、中車(chē)時(shí)代、世紀金光、深圳基本、士蘭微、揚杰科技、瞻芯電子、天津中環(huán)、江蘇華功、聚力成半導體等。
但碳化硅元器件也存在著(zhù)自身的瓶頸，三安集成功率半導體事業(yè)部中國區銷(xiāo)售總監張真榕表示：“以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體器件性能優(yōu)異，但對材料、封裝和器件保護等技術(shù)要求更高，而且長(cháng)期以來(lái)被國外企業(yè)壟斷，成本居高不下。”三安集成母公司三安光電成立于2000年，歷經(jīng)20余年的發(fā)展，發(fā)展為集LED、微波射頻、濾波器、光技術(shù)、電力電子五大應用領(lǐng)域為一體的化合物半導體產(chǎn)業(yè)集群，其中第三代半導體業(yè)務(wù)完成了“晶圓-襯底-外延-封裝”的全產(chǎn)業(yè)鏈整合。
碳化硅器件國產(chǎn)化的歷史機遇
專(zhuān)家指出，第三代半導體是中國產(chǎn)業(yè)難得的歷史機遇。不同于中國錯失的一代二代半導體技術(shù)，第三代半導體國內和國際巨頭幾乎處于同一起跑線(xiàn)，科銳、道康寧等企業(yè)占據全球大部分市場(chǎng)份額，但中國三安集成等企業(yè)也建立了完整了第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)中國擁有者龐大的應用市場(chǎng)，光伏逆變器、新能源汽車(chē)空間巨大，中國半導體企業(yè)可以根據中國市場(chǎng)需求定義產(chǎn)品。
不久前，三安集成邀請了國內領(lǐng)先的百余位光伏逆變器領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人士，向其分享該公司在碳化硅元器件方面的成果以及光伏逆變器國產(chǎn)化的前景。
在三安集成的生產(chǎn)線(xiàn)上，筆者看到，碳化硅的生產(chǎn)工藝與光伏生產(chǎn)的很多設備功能相似，但“純度更高”(11個(gè)9以上)、“溫度更高”(2000°C高溫)、“精度更高”(極低缺陷和位錯)。
三安集成在福建建立了4英寸和6英寸的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)，在長(cháng)沙投資160億元建設碳化硅產(chǎn)業(yè)園，涵蓋6英寸導電襯底、6英寸絕緣襯底、外延、芯片和封裝工廠(chǎng)。三安集成張真榕表示，到2025年，三安集成將形成4萬(wàn)片每月的6寸晶圓的產(chǎn)能。
第三代半導體國產(chǎn)化意義重大
此外，在中美貿易摩擦期間，部分逆變器廠(chǎng)家擔心半導體器件供應安全，也開(kāi)始積極同中國半導體廠(chǎng)商接洽，以期早日實(shí)現供應商多樣化、器件國產(chǎn)化。同時(shí)在全球疫情影響下，傳統半導體芯片大廠(chǎng)的制造和供應能力都屢受波及，產(chǎn)能下降、價(jià)格上漲，需要國產(chǎn)化器件來(lái)穩定半導體芯片市場(chǎng)。
目前，包括華為、陽(yáng)光電源、上能、錦浪、固德威、首航、古瑞瓦特、愛(ài)士惟等多家中國逆變器廠(chǎng)商表達了對第三代半導體元器件國產(chǎn)化的期待。
三安集成張真榕就目前光伏行業(yè)熱門(mén)的210低電壓大電流組件發(fā)表了看法，他認為隨著(zhù)第三代半導體功率器件的應用，“20A”將很快不再成為逆變器難以逾越的“天塹”，甚至在未來(lái)，支撐50A電流的器件也有望應用在逆變器領(lǐng)域。
