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半导体

光伏热带火了IGBT

在“碳中和”背景下,大力发展太阳能光伏等清洁能源产业已是大势所趋。中国光伏行业协会最新报告显示,2021年我国光伏新增装机达54.88GW,同比增长13.9%,创历史新高。欧美等国对光伏发电的投入也在不断提高,2021年全球光伏年均新增装机达到170GW。
IGBT作为光伏逆变器(直流转交流)的重要组成部分,在光伏等领域的应用极为广泛。随着光伏装机量的持续增长,对IGBT的需求也迅速攀升。近来,市场上就不断有关于国际大厂IGBT卖断货的消息传出。这种形式也为国内IGBT产业的发展提供了有利的契机。



2025年光伏IGBT市场规模将达百亿元
近年来,光伏产业热潮不断。2021年我国新增光伏发电装机量达到54.88GW,连续9年稳居世界首位。中国光伏行业协会还预计2022 年我国光伏新增装机量将达75G~90GW,2022-2025 年我国年均新增光伏装机量达到83GW~99GW。与此同时,出口市场也不断增长。日前,欧盟发布能源独立路线图,力求从天然气开始,在2030年前摆脱对俄罗斯的能源进口依赖。3月15日,欧盟理事会通过了“碳边境调节机制(CBAM)”。专家认为,欧洲大概率会加速光伏布局与应用,今年欧盟光伏新增装机量可能会超出预期。
在此情况下,作为光伏逆变器核心器件的IGBT,市场空间也被极大拓展。对此,赛晶科技董事会主席项颉就指出,目前世界各国对气候变暖的严峻性和迫切性已经有了共识,包含中国在内的许多国家均相继出台“碳中和”目标。为了达成这一目标,需要在发电、输配电和用电等环节均需要采取相关的措施。这样就需要在能源和产业结构、技术和标准,以及配套的政策等诸多方面,构建可持续发展的绿色能源发展体系。作为光伏逆变器中的核心元器件,IGBT一定会受到这一市场发展的直接带动。
英飞凌相关负责人也表示,未来十年,电动化和数字化将成为产业和社会发展的重要推动力。电动化涉及发电、输变电、储能、用电在内的电力价值链各个环节,而光伏是其中的发电环节。包括IGBT在内的功率半导体在整个电力价值链中扮演着重要角色。随着电动化的推进,未来功率半导体的市场规模将会不断成长。
据介绍,光伏逆变器是太阳能光伏系统的核心组件,可将太阳电池发出的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电,并配合一般交流供电的设备使用。光伏逆变器的性能可以影响整个光伏系统的平稳性、发电效率和使用年限。而在逆变电路中,都需使用IGBT等具有开关特性的半导体功率器件,控制各个功率器件轮流导通和关断,再经由变压器藕合升压或降压,最终实现交流转直流的转换。
值得注意的是,逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10-15年,而光伏组件的运营周期是25年,所以逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次。这也进一步扩大了IGBT在光伏系统中的使用量。
项颉估算,2021年中国光伏市场对IGBT的需求约为15亿元。如果加上中国逆变器厂家出口逆变器的需求,这一规模近40亿元。随着市场对可再生能源需求的提升,对IGBT需求也将持续增长,预计到2025年,新增装机容量加上替换装机容量的IGBT需求将达百亿元规模。
光伏IGBT对可靠性要求非常高
目前,车用市场与光伏系统是IGBT最大的两个应用市场,也最受行业关注。IGBT技术也在贴合这两大市场的需求不断发展。项颉表示,为了满足电动车电驱系统的轻量化和高功率密度,车用IGBT需要实现低功率损耗和高开关频率。此外,电动车的拓扑是典型的三相逆变器桥,因此,汽车电驱IGBT模块一般采用6in1模块封装或者半桥模块封装。
相对而言,光伏电池板的电压具有多样性,因而光伏逆变器采用的拓扑结构也不相同,微型逆变器一般采用IGBT单管的分立器件方式;1000V组串光伏逆变器采用T型三电平模块;1500V组串逆变器应用的是I型三电平模块;1500V集中式逆变器采用了半桥模块来配置I型三电平拓扑。也就是说,IGBT应用在不同的光伏逆变器上时,需要根据系统配置的实际需求选用不同特性和封装的产品。
受应用端的影响,IGBT也展现出不同的技术趋势。首先光伏IGBT对于可靠性的要求会非常高。光伏是将直流电逆变到交流电,再上传到电网。“这种线路不像工控领域,因为担心过载,工控领域往往对IGBT模块降压使用,比如模块的额定电流为100A,降等用于40A-50A。光伏逆变器企业基本上会把IGBT模块性能用到极致,所以对IGBT芯片的可靠性要求也要高于工控领域。”有相关研发人员告诉记者。
,对于光伏用功率模块技术的发展,可以从芯片设计、封装和模块制造等几个方面来展开,确保产品的可靠性。对于芯片技术,一是对硅IGBT和二极管等进行性能的优化和升级;二是采用SiC等新材料,其中组串逆变器对SiC二极管的需求已经越来越广泛。在封装方面,需要满足可靠性的要求,同时也需要考虑新器件的采用,比如使得SiC器件充分发挥性能的低杂散电感封装等。在模块的制造方面,需要采用严格的制造过程保证模块的一致性和可靠性,同时需要采用绿色制造工艺和环保材料等,为可持续发展的社会做出贡献。
另一个值得注意的趋势是,随着近年来分布式光伏市场的迅速增长,将对IGBT单管提出更高要求。国家能源局2021年5月提出“在确保安全前提下,鼓励有条件的户用光伏项目配备储能”“户用光伏发电项目由电网企业保障并网消纳”。在相关政策助力下,分布式光伏与配储有望迎来规模化发展。分布式光伏主要采用IGBT单管解决方案。在需求的驱动下,IGBT单管有望迎来一波新的发展。
碳化硅 IGBT将成为市场的宠儿
近年来,碳化硅等宽禁带半导体在太阳能光伏系统中也有了越来越广泛的应用。瑞能半导体CEO Markus Mosen向记者指出,碳化硅功率半导体产品在能源应用中将成为市场的“宠儿”,碳化硅功率半导体凭借其低功耗、长寿命、高频率、体积小等技术优势,在光伏等领域具备较强的替代潜力。
目前,SiC MOSFET和SiC二极管在在光伏发电市场的应用越来越多。得益于SiC材料的低损耗且能够有效降低光伏发电的系统成本,SiC二极管在微型逆变器和组串逆变器上已经得到验证以及应用。随着SiC晶圆成本的降低和良品率的提升,SiC MOSFET的成本持续降低。在可以预见的未来,SiC MOSFET的应用也将扩展到微型逆变器和组串逆变器当中。下一步,碳化碳器件厂商将会开发适用于光伏逆变器应用的高压SiC MOSFET,使得SiC MEOSFET的应用领域扩展到大功率组串逆变器和集中式逆变器当中。
相对而言,目前SiC IGBT受限于良品率与应用场景等问题,还没有规模化的商业应用。对此,英飞凌负责人表示,SiC IGBT用于万伏以上的高压,尚处于研究阶段,还未看到商业应用。项颉也表示,目前业界的共识一般是在万伏以上才会考虑应用SiC IGBT。作为宽禁带器件,在1万伏以下的应用场景中采用SiC MOSFET就可以满足需求了。在万伏以下应用,SiC IGBT在性能没有体现出优势,因为在此范围内SiC IGBT的饱和压降比SiC MOSFET的压降更高,同时在制造工艺上,SiC IGBT更加复杂,成本也更高。
不过相关专家也指出,我国地域辽阔,经济处于快速发展阶段,对电力特别是光伏等清洁能源的电力需求正在快速增长。随着“西电东送”等超大型电力工程的持续推进,研究和发展特高压交流输变电技术是十分必要的。相信能够胜任高功率工作场景的SiC IGBT,未来同样具有广阔的发展空间。

责任编辑:陈炳欣


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