碳化硅光伏逆變器發(fā)展現(xiàn)狀

孫凱 陳彤 張瑜潔

一、碳化硅功率器件的重要性

從工業(yè)革命到現(xiàn)在，能源作為人類生活和工業(yè)水平進(jìn)步的基礎(chǔ)，有著極其重要的地位。當(dāng)前人類獲取使用的能源多數(shù)是不可再生能源，但隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)水平提高，能源的需求量也將越來越大，單一使用化石能源顯然會越來越難以滿足目前世界工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求?，F(xiàn)在世界上許多國家都在倡導(dǎo)可再生能源的利用，其中太陽能呼聲較高。太陽能開發(fā)方便，不需要運(yùn)輸和開采；不會對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)；總量巨大可以說取之不盡、用之不竭。光伏效應(yīng)可以將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，這成為利用太陽能的一種有效手段。

1992年“世界環(huán)境與發(fā)展大會”通過的《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等重要文件，著重關(guān)注環(huán)境和發(fā)展，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。此后，世界各國都更加注重利用開發(fā)太陽能。中國政府對此也高度重視，制定了《中國21世紀(jì)議程》和《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》等文件，進(jìn)一步明確了太陽能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，堅(jiān)定了大力發(fā)展太陽能的決心，同時也刺激了國內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展。

近幾十年來，全球范圍內(nèi)的光伏電池產(chǎn)量逐年增加，年均增長率超過50%。尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，這一增速更快。我國也緊跟潮流，2007年之后，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度遠(yuǎn)超全球平均水平。2010年，全球共生產(chǎn)光伏電池容量為1 600萬kW，其中我國占60%以上。同年，全球光伏發(fā)電總裝機(jī)容量接近 4 000萬kW，大部分應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家市場；其中德國作為發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊2010年新增裝機(jī)容量占全球裝機(jī)總量的近20%。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)日漸成熟，使得各部分的成本都得以降低，光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性大幅提高。

為了實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是逆變器，用于將光伏效應(yīng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，便于并入電網(wǎng)加以利用，因此光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電技術(shù)的核心，逆變器的工作效率很大程度上決定了太陽能的利用效率。研究光伏并網(wǎng)逆變器對于發(fā)展清潔能源、減少環(huán)境污染具有深遠(yuǎn)的意義。

電力半導(dǎo)體器件是光伏并網(wǎng)逆變器的核心部件?，F(xiàn)如今在電氣行業(yè)中使用的各種半導(dǎo)體器件多以硅（Si）材料為基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。Si是一種半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于各種電子管和集成電路。隨著電力半導(dǎo)體器件使用場合日益豐富，在一些對性能要求較高以及工作環(huán)境較惡劣的應(yīng)用場合，硅器件的使用便受到限制，這就要求人們開發(fā)性能更優(yōu)越的半導(dǎo)體器件，于是，碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)運(yùn)而生。

二、SiC功率器件的優(yōu)勢及發(fā)展

1.SiC功率器件的優(yōu)勢

SiC半導(dǎo)體作為繼硅和砷化鎵之后的“第3代半導(dǎo)體”，是目前最受人們關(guān)注的功率器件材料。SiC屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，在功率器件制造方面具有非常廣闊的前景。相比于Si材料，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料具有以下優(yōu)勢：

（1）SiC材料的禁帶寬度大

半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定其器件的工作溫度，材料禁帶寬度的值越大，器件的工作溫度也就越高。因此，在高達(dá)600℃的溫度下，SiC器件仍然可以正常工作，而且SiC還具有很好的抗輻射能力。由SiC制成的高溫集成電路可以在一些航空設(shè)備、核能儀器、衛(wèi)星、空間探測器、地?zé)峋确矫姘l(fā)揮其在高溫方面的獨(dú)特優(yōu)勢。（2）SiC材料的臨界擊穿電場高

SiC的臨界擊穿電場約為3MV/cm，這個值大約為Si器件的10倍、砷化鎵（GaAs）器件的5倍左右。與Si同種類型的功率器件相比，SiC功率半導(dǎo)體器件可以在更高的工作電壓下工作，例如Si肖特基二極管的擊穿電壓一般為100～200V，而S i C肖特基二極管的擊穿電壓可以達(dá)到1 000～2 000V。因此，SiC臨界擊穿電場高的特性使得其實(shí)現(xiàn)輸變電技術(shù)對功率半導(dǎo)體器件的耐高壓的要求變得更加容易。

（3）SiC功率器件的比導(dǎo)通電阻小

功率半導(dǎo)體器件的比導(dǎo)通電阻跟材料擊穿電場的立方成反比。由于SiC的擊穿電場是Si的10倍左右，所以SiC器件比Si器件的比導(dǎo)通電阻要小得多。也就是說，在擊穿電壓相同的情況下，SiC器件的比導(dǎo)通電阻值只有Si器件的百分之一。SiC器件較低的比導(dǎo)通電阻可以使系統(tǒng)的損耗降低，從而使系統(tǒng)效率得到提高。（4）SiC材料的熱導(dǎo)率高

SiC材料的熱導(dǎo)率大約為4.9W/（cm·K），這個值比Si材料和GaAs材料分別高大約3～10倍。鑒于SiC的這個優(yōu)勢，如果集成電路采用SiC材料來制作，就可以使散熱系統(tǒng)得到極大的減少，也就可以使裝置的質(zhì)量以及體積得到有效地減小，進(jìn)而使系統(tǒng)的集成度得以提高，并且在高溫以及高輻射的環(huán)境中使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到很好的改善。比如SiC場效應(yīng)晶體管（JFET）在500℃下加壓測試，成功工作2 000h，器件性能并沒有發(fā)生明顯改變，表現(xiàn)出器件良好的可靠性。SiC器件高溫傳感器，探測器和電子控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于各種高溫環(huán)境，例如石油勘探、宇宙飛船、鉆井等，克服了傳統(tǒng)材料在高溫應(yīng)用方面的缺陷。

（5）電子飽和漂移速度高

SiC材料的電子飽和漂移速度是Si材料的2.5倍左右，因此具有開關(guān)速度快和電流密度高的優(yōu)勢，因此特別適合高頻和大功率方面的應(yīng)用。

由于SiC功率器件具有高擊穿電壓，高工作頻率且耐高溫等優(yōu)勢，同時比導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗也較小，所以采用SiC功率器件可以很大程度地降低系統(tǒng)的功耗以及減小系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。特別是在高頻、高溫和大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，SiC電力電子器件優(yōu)異的電氣性能使其具有Si半導(dǎo)體器件難以比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢和潛力。

因此，在相同的功率等級下，使用SiC器件來代替Si器件可以在大幅提高光伏并網(wǎng)逆變器變換效率的同時，還可以通過提高光伏并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率，減小濾波元件的體積；并通過提高光伏并網(wǎng)逆變器的高溫運(yùn)行能力，降低散熱設(shè)計(jì)的難度和成本。

2.SiC功率器件的發(fā)展

早在20世紀(jì)90年代，就有學(xué)者開始對SiC功率器件進(jìn)行研發(fā)，在SiC發(fā)展的這20年中，主要的研究方向是SiC整流器。其中，發(fā)展速度最快的是SiC肖特基二極管（SBD）的研發(fā)，由于SiC SBD的反向恢復(fù)時間比Si SBD小得多，所以SiC SBD的反向恢復(fù)現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。2001年，英飛凌（Infineon）公司推出首款SiC SBD，隨后CREE公司和Microsemi公司也相繼推出了SiC SBD產(chǎn)品，預(yù)示著SiC功率器件開始進(jìn)入商業(yè)市場。2003年，美國Rutgers大學(xué)研制出擊穿電壓為10.8kV、導(dǎo)通電阻為97mΩ·cm2的SiC SBD。2008年，東芝公司報(bào)道了一種Super-SBD，其特性接近4H-SiC材料極限，該器件具有高達(dá)27kV的擊穿電壓以及超低的導(dǎo)通電阻（257mΩ·cm2）。2009年，Infineon公司推出了新一代的SiC SBD產(chǎn)品，最高耐壓為1.2kV，最大電流為20A。2011年，CREE公司也推出了具有相同性能的SiC SBD。同在2011年，國內(nèi)第一家致力于SiC功率器件研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)——泰科天潤半導(dǎo)體科技（北京）有限公司（以下簡稱“泰科天潤”）在北京注冊成立。泰科天潤在北京擁有一座完整的半導(dǎo)體工藝晶圓廠，可在4英寸的SiC晶圓上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造工藝，該公司于2014年起已經(jīng)可以批量生產(chǎn)發(fā)售2-100A、500-1700V范圍內(nèi)的SiC肖特基二極管，器件特性達(dá)到國際先進(jìn)水平，其他SiC功率器件，如SiC BJT、SiC JFET等也都在研發(fā)中。目前，SiC SBD的主要應(yīng)用領(lǐng)域有功率因數(shù)校正器、太陽能/風(fēng)能逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動裝置、輸出整流器、混合電動汽車/電動車的充電器以及家電應(yīng)用。

與此同時，SiC其他類型的功率器件如JFET、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的制造技術(shù)也在非?？焖俚陌l(fā)展，許多國內(nèi)外的科研院所以及半導(dǎo)體公司都將SiC功率器件作為重點(diǎn)研究對象，推進(jìn)SiC功率器件實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。目前，一些國外知名企業(yè)，如羅姆、CREE等公司已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)反向電壓為600V和1 200V的功率MOSFET的商業(yè)化。國外某市場調(diào)查公司預(yù)測的全球目前SiC器件的市場份額如圖1所示?？梢钥闯觯琒iC的市場份額在逐年增加，相信隨著SiC的不斷發(fā)展，SiC最終會成為制作功率器件的主要材料。因此，商業(yè)化逆變器采用SiC功率器件作為其主要的電力電子器件變得越來越容易實(shí)現(xiàn)。

三、光伏逆變器的基本類型

從是否含有隔離變壓器的角度，光伏并網(wǎng)逆變器可以分為隔離型和非隔離型2大類。隔離型逆變器可以根據(jù)工作頻率分為工頻和高頻2種；非隔離型逆變器根據(jù)構(gòu)成不同可以分為單級和多級2種。

1.隔離型光伏逆變器

工頻隔離型變壓器是最常見的一種方式，期工作示意圖如圖2所示。太陽能板PV產(chǎn)生直流電，經(jīng)過一個逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，這個交流電的相位可以經(jīng)過控制，與電網(wǎng)電壓保持一致，但它的幅值與電網(wǎng)電壓幅值不同，所以要經(jīng)過一個工作頻率為電網(wǎng)電壓工作頻率的變壓器，才能接入電網(wǎng)。但工頻變壓器效率不高，導(dǎo)致整個逆變器效率較低。

高頻隔離型逆變器工作示意圖如圖3所示。比工頻隔離型逆變器多了一個DC-DC（只對直流參數(shù)進(jìn)行變換的電路）環(huán)節(jié)，可以提高變壓器的工作頻率而不受電網(wǎng)頻率的限制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是減小了變壓器的體積和質(zhì)量，增加了逆變器的功率密度。

2.非隔離型光伏逆變器

在隔離型光伏逆變器中，電能會轉(zhuǎn)化為磁能，然后又轉(zhuǎn)化為電能，這個轉(zhuǎn)化的過程會產(chǎn)生能量損耗，同時也增加了逆變器的體積。為了提高光伏逆變系統(tǒng)的效率，可以采用非隔離型的方案，非隔離型根據(jù)電路拓?fù)淇煞譃閱渭壥揭约岸嗉壥健Ｔ趩渭壥街?，光伏陣列輸出通過逆變器直接并網(wǎng)，因此要求光伏陣列的輸出電壓較高，達(dá)到直接并網(wǎng)的電壓等級。對于兩級式光伏逆變系統(tǒng)，逆變電路之前有一級DC-DC電路，通常是Boost電路，以增加對光伏陣列的輸出電壓范圍的適應(yīng)性。單級式非隔離型逆變器工作示意圖如圖4所示。將太陽能板輸出直接逆變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓，對逆變器輸出電壓的控制要求較高。

兩級式非隔離型變壓器工作示意圖如圖5所示。將太陽能板的輸出電壓先經(jīng)過一個DC-DC變換器升壓，經(jīng)過解耦電容后再進(jìn)行逆變，接入電網(wǎng)。解耦電容可以解決輸入輸出功率不匹配的問題。

四、SiC光伏逆變器備受關(guān)注

SiC肖特基二極管現(xiàn)在已經(jīng)在太陽能逆變器市場中得到應(yīng)用，歐洲市場尤為多見。由于采用SiC SBD可以使整個系統(tǒng)的效率提高，所以許多太陽能設(shè)備制造商紛紛開始轉(zhuǎn)向這一技術(shù)。太陽能面板的功能是將采集來的太陽能轉(zhuǎn)化為正向直流電壓。再采用升壓轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)化成的直流正電壓升高到一個恒定直流電壓，這個升壓轉(zhuǎn)換器在高頻開關(guān)操作。SiC SBD能消除升壓二極管的開通損耗，從而提高了升壓段的效率。然后，再使用一個逆變器，將此恒定直流電壓轉(zhuǎn)換為可用的交流電壓，此交流電壓的頻率保持恒定。SiC SBD不僅能消除此段續(xù)流二極管中的二極管開關(guān)損耗，同時也能降低IGBT開通損耗，從而使逆變器的效率得到顯著提高。如果采用效率更高的系統(tǒng)，太陽能面板采集的太陽能就能更多地轉(zhuǎn)化為可用的電能。采用碳化硅器件，轉(zhuǎn)換器的平均工作效率能從Si器件轉(zhuǎn)換器接近96%的平均工作效率提升至97.5%，可以使逆變器損耗降低25%。這些太陽能設(shè)備的使用壽命一般都長于30年，因此，如果逆變器采用碳化硅器件，就能顯著提高節(jié)能效益。

眾企業(yè)一致認(rèn)為，SiC逆變器受到各方面關(guān)注的原因大致有3個：首先，使用SiC二極管的逆變器，可以使系統(tǒng)的電力損失得到減少。相比于Si二極管，使用SiC二極管可以減少約30%的損失。其次，SiC二極管可以使逆變器的體積和質(zhì)量大大減小。這是由于SiC散熱快，縮小了系統(tǒng)的冷卻機(jī)構(gòu)。利用SiC二極管，可使逆變器的體積和重量減少40%～60%左右。第三，SiC逆變器已在日本市場得到實(shí)際驗(yàn)證。東京地鐵（Tokyo Metro）銀座線的新“01系列車”就采用了SiC逆變器，不僅降低了逆變器的電能損耗，還提高了電能再生性能，從而降低了耗電量。據(jù)報(bào)道，在行駛所用電力中返回到輸電線的通過回收制動能量得到的電力所占的比例（再生率）由原來的22.7%提高到了51.0%，其節(jié)能效果已被實(shí)際驗(yàn)證。

五、SiC逆變器開發(fā)實(shí)例

1.英飛凌推出用于光伏逆變器的SiC型JFET

德國Infineon開發(fā)出了適用于光伏發(fā)電用逆變器的耐壓為1 200V的SiC型JFET“CoolSiC產(chǎn)品群”，并在2012年5月8-10日于德國舉行的電源技術(shù)展會“PCIMEurope2012”上宣布投產(chǎn)。新產(chǎn)品的主要用途為光伏發(fā)電的逆變器裝置。如果采用SiC型JFET代替現(xiàn)有逆變器裝置中使用的IGBT，便可以實(shí)現(xiàn)裝置的小型輕量化。這是因?yàn)樾庐a(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)高于IGBT的工作速度，也就是說，即便提高工作頻率，也能降低開關(guān)損耗。因此，電感器以及電容器等被動元件可使用小型產(chǎn)品，所以能夠?qū)崿F(xiàn)整個裝置的小型輕量化。

2.日本電裝試制出輸出功率密度高達(dá)60kW/L的SiC逆變器

日本電裝試制出了采用SiC功率元件制成的逆變器。該逆變器的特點(diǎn)是輸出功率密度高達(dá)60kW/L，該公司稱此為“全球最高水平”。該試制品將原來的Si功率器件改為SiC功率器件，同時改進(jìn)了功率元件內(nèi)部的構(gòu)造以及逆變器模塊內(nèi)的布線，實(shí)現(xiàn)了低電阻化，從而降低了電力損耗，使發(fā)熱量比原產(chǎn)品減少了68%。

3.富士電機(jī)推進(jìn)SiC MOSFET實(shí)用化，首先用于光伏逆變器

富士電機(jī)開始推進(jìn)SiC MOSFET的實(shí)用化。最初打算用于該公司2014年8月開始量產(chǎn)的大型光伏電站用逆變器，該逆變器的輸入電壓為DC1 000V、輸出功率為1 000kW。該公司已經(jīng)推出了SiC二極管產(chǎn)品，在逆變器的升壓電路中采用了配備該SiC二極管和該公司的SiC MOSFET的功率模塊，由此提高了轉(zhuǎn)換效率并實(shí)現(xiàn)了小型化。新款逆變器的轉(zhuǎn)換效率為98.8%，屬于“行業(yè)最高水準(zhǔn)”（富士電機(jī)），該公司以前產(chǎn)品的效率為98.5%。逆變器新產(chǎn)品的尺寸為2 980mm×1 900mm×900mm，體積比原產(chǎn)品小20%。體積減小后，無需分拆即可搬運(yùn)。以前，1 000kW級的逆變器尺寸較大，一般需要拆開來搬運(yùn)，富士電機(jī)稱“此次是業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)1 000kW級的一體型室內(nèi)機(jī)”。該逆變器配備的SiC功率元件在富士電機(jī)的工廠生產(chǎn)，采用的是6英寸的SiC晶圓。

4.田淵電機(jī)在光伏逆變器中采用SiC二極管

田淵電機(jī)是日本首家在光伏逆變器中采用SiC二極管的企業(yè)。該公司的常務(wù)執(zhí)行董事坂本幸隆表示“隨著光伏發(fā)電需求的增加，光伏逆變器的銷量越來越大。量產(chǎn)效果應(yīng)該有助于降低功率半導(dǎo)體的成本”。該公司采用SiC二極管的逆變器通過減少開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，大幅降低了轉(zhuǎn)換損失。雖然目前仍需組合采用IGBT，但今后，通過完全采用SiC，估計(jì)損耗還將減少60%左右。坂本幸隆介紹說，“采用SiC二極管并沒有造成成本大幅上漲，如果能全部使用SiC，成本反而有可能降低”。

5.三菱電機(jī)推出采用SiC的光伏逆變器產(chǎn)品

在可再生能源技術(shù)及產(chǎn)品展會“PVJapan2014”上，各公司紛紛展示了采用SiC等新一代功率半導(dǎo)體的光伏發(fā)電用逆變器（電源調(diào)整器）。其中，三菱電機(jī)展示了剛剛宣布將于2015年1月上市的產(chǎn)品。該公司表示，“這將是全球首款采用SiC的光伏逆變器產(chǎn)品”。三菱電機(jī)展示的是功率半導(dǎo)體元件全部基于SiC的“全SiCIPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）”電源調(diào)整器產(chǎn)品。支持4.4kW的輸出功率，將直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的轉(zhuǎn)換效率為98.0%。三菱電機(jī)在電源調(diào)整器上采用的全SiC-IPM中只使用一個逆變器，通過簡單的結(jié)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了98.0%的轉(zhuǎn)換效率。三菱電機(jī)表示，該公司預(yù)定2014年11月開始銷售的轉(zhuǎn)換效率為96%的電源調(diào)整器中，支持4.0kW輸出的產(chǎn)品的建議零售價為34萬日元，這樣看來，“配備全SiC-IPM的產(chǎn)品的價格并不算太高”。

六、結(jié)語

SiC功率器件憑借其高的阻斷電壓、高工作頻率、高熱導(dǎo)率以及低損耗等優(yōu)勢，可以有效地提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率，降低能耗，減小裝置體積和質(zhì)量。因此，SiC被認(rèn)為是第3代半導(dǎo)體材料中最有發(fā)展前景的新型材料之一，相信隨著SiC成本逐漸降低，工藝以及可靠性的逐步優(yōu)化，SiC功率器件必將會在光伏逆變器等新能源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。