SiC在光伏逆變器中的應(yīng)用,高功率密度
近年來全球光伏市場規(guī)模持續(xù)增長。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(CPIA)發(fā)布的《2024-2025年中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》。
可以看到，從2020年的130GW到2024年530GW，近5年全球光伏新增裝機(jī)量實(shí)現(xiàn)了年復(fù)合約42%的高速爆發(fā)擴(kuò)張式增長，全球光伏市場如火如荼。到2030年，樂觀估計(jì)，將從2024年的530GW繼續(xù)增長到1078GW，這意味著未來六年全球光伏裝機(jī)將會有年復(fù)合約13%的快速增長，而即便保守估計(jì)，增長到881GW，也將會有年復(fù)合約9%的穩(wěn)步增長。光伏市場依舊將持續(xù)蓬勃穩(wěn)定發(fā)展。
逆變器作為綠色能源轉(zhuǎn)換中的核心設(shè)備，在新能源領(lǐng)域中的重要性日益凸顯，其具有提高電能質(zhì)量，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性，快速響應(yīng)提升能效等重要作用。它的高效可靠性直接關(guān)系到電力轉(zhuǎn)換的能效和穩(wěn)定。
光伏逆變器現(xiàn)狀和趨勢
根據(jù)不同功率和應(yīng)用場合，光伏逆變器可分為集中式逆變器、組串式逆變器、集散式逆變器以及微型逆變器。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(CPIA)發(fā)布的報告顯示，中國光伏逆變器市場主要以集中式和組串式逆變器為主，其他類型占比較小，這其中尤以組串式逆變器為主，其市場份額從2018年的60.4%增長至2023年的80%，進(jìn)一步確立了組串式逆變器的市場主流地位。預(yù)計(jì)未來依舊是組串式逆變器為主。
對于逆變器，成本是產(chǎn)品的一大關(guān)鍵要素。逆變器的成本主要分為四大塊，首先是機(jī)構(gòu)件占到約1/3，其次電感和電容占到約1/3，功率半導(dǎo)體器件約占到1/6，剩余1/6則是集成電路、控制組件、PCB等。詳細(xì)成本構(gòu)成可參考下圖：
隨著逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，組串逆變器的單臺最大功率已然達(dá)到360kW左右，對于愈發(fā)大功率的逆變器產(chǎn)品，高效率高功率密度高可靠性也變得愈發(fā)重要。而作為功率器件的SiC有著比IGBT更出色的性能，更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，可以工作在更高的開關(guān)頻率，也更適合更高功率的應(yīng)用場合。
高開關(guān)頻率意味著可以更好的優(yōu)化磁性元器件的性能和體積，這對于逆變器發(fā)展的高效率、高功率密度以及高可靠性要求有著天然的優(yōu)勢，并且高效率高功率密度也意味著更低的損耗更少的散熱和更緊湊的走線設(shè)計(jì)，結(jié)合SiC的高開關(guān)頻率帶來的磁性元器件體積成本的縮減，可以進(jìn)一步降低整體的光伏系統(tǒng)成本。
目前SiC的成本還是高于IGBT，但隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展和產(chǎn)能的釋放，SiC的高性能帶來的系統(tǒng)成本優(yōu)勢會越來越明顯，也有助于光伏更高的系統(tǒng)集成度要求，并有望進(jìn)一步促進(jìn)推動整體光伏市場的革新和發(fā)展。
SiC在光伏逆變器中的應(yīng)用
當(dāng)前市場，越來越多的客戶在DCDC側(cè)開始導(dǎo)入SiC并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的量產(chǎn)，這顯著提升了MPPT側(cè)的性能，縮減了Boost電感的體積，提升了前端的功率密度，并降低了一定的系統(tǒng)成本。而在DCAC側(cè)，SiC又會有怎樣的性能表現(xiàn)呢?為此ST專門開發(fā)了一款組串式50kW SiC DCAC逆變器，旨在探索下一代高效逆變器的發(fā)展。
50kW逆變器采用了ST最新的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的SiC模塊A2U8M12W3-FC和高性能MCU STM32H743，以及STGAP2系列驅(qū)動芯片和L6565、TSV914等半導(dǎo)體器件。
是50kW SiC逆變器控制框圖，基于T型三電平拓?fù)?，采用STM32H743，結(jié)合STGAP2驅(qū)動芯片來實(shí)現(xiàn)對SiC模塊A2U8M12W3以及整體系統(tǒng)的性能控制和保護(hù)。其峰值效率在額定800Vdc輸入的情況下，可達(dá)98.89%，650Vdc輸入下更是高達(dá)99.1%，相比于IGBT逆變器的峰值效率點(diǎn)，顯著提升了0.5%左右，更好的實(shí)現(xiàn)了光伏逆變器的高效高性能。
開關(guān)頻率也從IGBT主流的20k提升到40kHz，進(jìn)一步減少了LCL濾波器的感量體積以及BUS電容的容量，功率密度高達(dá)75W/in^3，實(shí)現(xiàn)了高頻、高效、高功率密度和高可靠性的發(fā)展要求。
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