通過元器件升級，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，同時耐高溫性能更好也讓產(chǎn)品更加可靠。近年來，集中式逆變器的箱體越來越小是功率器件升級的最直觀體現(xiàn)，而同樣體積的中小型逆變器，功率則提高了數(shù)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，光伏逆變器元器件環(huán)節(jié)長期被國外廠商占據(jù)大部分市場份額，但現(xiàn)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彎道超車，助力中國光伏逆變器企業(yè)順利推出下一代解決方案，讓光伏迎來新一輪的提效降本技術熱潮。
第三代半導體技術與光伏新時代
半導體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三次技術迭代。
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，制程技術也最為成熟，應用領域在信息技術產(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域。
碳化硅(SiC)的擊穿電壓是傳統(tǒng)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，同時更有效地管理散熱。由于功率轉換效率與開關頻率直接相關，因此碳化硅器件既可以處理比硅器件更高的電壓，又可以確保超高開關和導通頻率。
在光伏領域之外，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汽車可以有效提高行駛里程，減小部件梯級降低系統(tǒng)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的挑戰(zhàn)。隨著行業(yè)邁入“后1500V”以及“20A大電流”時代，要建成更大組串，進一步降低成本，目前常見的有兩種辦法：
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(jù)了解，目前業(yè)內(nèi)也在研發(fā)1700V甚至2000V及以上電壓等級技術，因此可以說未來的光伏功率器件領域一定是以碳化硅為主動器件的市場驅動。
光伏逆變器龍頭陽光電源在2018年累計出貨了超過15萬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150萬顆碳化硅功率器件。其明確指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，顯著提高開關頻率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系統(tǒng)成本和運維成本。
在器件、模塊制造環(huán)節(jié)，我國已出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的企業(yè)，包括三安集成、泰科天潤、中車時代、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自身的瓶頸，三安集成功率半導體事業(yè)部中國區(qū)銷售總監(jiān)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要求更高，而且長期以來被國外企業(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、電力電子五大應用領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，第三代半導體國內(nèi)和國際巨頭幾乎處于同一起跑線，科銳、道康寧等企業(yè)占據(jù)全球大部分市場份額，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。同時中國擁有者龐大的應用市場，光伏逆變器、新能源汽車空間巨大，中國半導體企業(yè)可以根據(jù)中國市場需求定義產(chǎn)品。
不久前，三安集成邀請了國內(nèi)領先的百余位光伏逆變器領域的專業(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，在長沙投資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。三安集成張真榕表示，到2025年，三安集成將形成4萬片每月的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(mào)易摩擦期間，部分逆變器廠家擔心半導體器件供應安全，也開始積極同中國半導體廠商接洽，以期早日實現(xiàn)供應商多樣化、器件國產(chǎn)化。同時在全球疫情影響下，傳統(tǒng)半導體芯片大廠的制造和供應能力都屢受波及，產(chǎn)能下降、價格上漲，需要國產(chǎn)化器件來穩(wěn)定半導體芯片市場。
目前，包括華為、陽光電源、上能、錦浪、固德威、首航、古瑞瓦特、愛士惟等多家中國逆變器廠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)熱門的210低電壓大電流組件發(fā)表了看法，他認為隨著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，支撐50A電流的器件也有望應用在逆變器領域。
