碳化硅光伏逆變器，擁抱光伏新機遇

全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已進(jìn)入大平價時代

隨著光伏投資成本的下降及發(fā)電效率的提升，全球已經(jīng)進(jìn)入光伏平價時代。光伏因具有綠色環(huán)保，取之不盡，用之不竭的特點，近年來呈高速發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)中國光伏協(xié)會預(yù)測，未來五年全球光伏市場最高年均新增裝機可達(dá)到287GW，2025年最高可達(dá)391GW，年復(fù)合增速16%。

未來五年全球光伏年均新增裝機預(yù)測（GW）

我國正在構(gòu)建可再生能源“十四五”規(guī)劃藍(lán)圖，并且在“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)指引下，光伏產(chǎn)業(yè)成長迅速，中國光伏協(xié)會預(yù)測未來5年我國光伏年均新增裝機樂觀情況可達(dá)到90GW，2025年最高可達(dá)123GW，年復(fù)合增速21%。

未來五年中國光伏年均新增裝機預(yù)測（GW）

光伏逆變器類型

光伏逆變器是實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)是否含有隔離變壓器，光伏并網(wǎng)逆變器可以分為隔離型和非隔離型兩大類。其中隔離型逆變器可以根據(jù)工作頻率分為工頻和高頻兩種；而非隔離型逆變器根據(jù)構(gòu)成不同可以分為單級和多級兩種。

（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，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。

工頻隔離型逆變器工作示意圖

（2）非隔離型光伏逆變器

在隔離型光伏逆變器中，電能會先后轉(zhuǎn)化為磁能和電能，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?/p>

單級式非隔離型逆變器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，達(dá)到直接并網(wǎng)的電壓等級。

單級式非隔離型逆變器工作示意圖

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，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。

兩級式非隔離型逆變器

SiC光伏逆變器提效顯著，備受市場關(guān)注

在光伏領(lǐng)域高速發(fā)展的時代，SiC光伏逆變器備受市場關(guān)注的原因大致有三個：

（1）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。

（2）SiC二極管可以使逆變器的體積和質(zhì)量大大減小。由于SiC散熱快，縮小了系統(tǒng)的冷卻結(jié)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。

（3）SiC逆變器已在國內(nèi)外市場得到廣泛實際應(yīng)用驗證。

軌道交通方面，東京地鐵銀座線的新“01系列車”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；我國株洲中車時代聯(lián)合深圳地鐵集團基于3300V等級高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應(yīng)用自主開發(fā)了地鐵列車全碳化硅牽引逆變器，在節(jié)能方面表現(xiàn)優(yōu)異，經(jīng)裝車試驗測試，同比傳統(tǒng)硅基IGBT牽引逆變器的傳動系統(tǒng)，綜合能耗降低10%以上，牽引電機在中低速段噪聲同比下降5分貝以上，溫升同比降低40℃以上。

新能源汽車方面，特斯拉率先開展SiC器件的應(yīng)用，Model 3采用了意法半導(dǎo)體推出的650V SiC MOSFET逆變器，相較Model X等車型上采用的IGBT能帶來5%～8%的逆變器效率提升，之后相繼推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技術(shù)。國內(nèi)方面，比亞迪·漢EV高性能四驅(qū)版本也搭載了SiC器件，為國內(nèi)首款采用SiC技術(shù)的車型。蔚來首款純電轎車——ET7也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅(qū)平臺。

SiC光伏逆變器開發(fā)案例

（1）英飛凌推出用于光伏逆變器的SiC 型 JFET

英飛凌開發(fā)出了適用于光伏發(fā)電用逆變器的耐壓為 1200V的SiC型JFET“CoolSiC產(chǎn)品群”并于2012年投產(chǎn)。如果采用SiC型JFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器裝置中使用的IGBT，可以實現(xiàn)裝置的小型輕量化，同時提高工作頻率，也能降低開關(guān)損耗。

（2）富士電機SiC MOSFET首先用于光伏逆變器

富士電機積極推進(jìn) SiC MOSFET的實用化，用于2014年8月開始量產(chǎn)輸出功率為1000kW的百萬瓦級光伏電站使用的光伏逆變器。

（3）田淵電機在光伏逆變器中采用SiC二極管

田淵電機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。雖然仍需組合采用IGBT，但今后通過完全采用SiC，估計損耗還將減少60%左右，并且成本反而可能下降。

（4）三菱電機推出采用 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，三菱電機展示了“全SiC-IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）”電源調(diào)整器產(chǎn)品，只使用一個逆變器，可支持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%。

（5）西門子推出首款采用碳化硅晶體管的155/165KW組串型逆變器

德國知名工業(yè)集團西門子旗下子公司，知名逆變器制造商Kaco new energy于2020年12月推出了兩款用于大型光伏項目的組串型逆變器，blueplanet 155 TL3和165 TL3，額定輸出功率分別為155kW和165kW，均采用了碳化硅晶體管設(shè)計。與傳統(tǒng)逆變器相比，采用碳化硅晶體管的逆變器具有更高的功率密度、更少的冷卻需求和更低的整體系統(tǒng)成本。

（6）德國Fraunhofer ISE研發(fā)出用于光伏中壓電網(wǎng)的250kW碳化硅逆變器

德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)研發(fā)了一款250kW的碳化硅逆變器，可用于連接中壓系統(tǒng)的公用事業(yè)規(guī)模的光伏項目，其運行轉(zhuǎn)換效率為98.4%，可以節(jié)省高達(dá)40% 的體積。

（7）安森美半導(dǎo)體的碳化硅(SiC)功率模塊可支持臺達(dá)的太陽能光伏逆變器

2020年，安森美半導(dǎo)體推出了一款適用于太陽能逆變器應(yīng)用的全SiC功率模塊，該產(chǎn)品已被全球領(lǐng)先的電源和熱管理方案供應(yīng)商臺達(dá)選用，用于支持其M70A三相光伏組串逆變器，產(chǎn)品能實現(xiàn)高達(dá)98.8％的峰值能量轉(zhuǎn)換能效。

（8）陽光電源已實現(xiàn)SiC器件在其光伏組串逆變器中的全線應(yīng)用

2013年，陽光電源開發(fā)了采用碳化硅二極管的組串逆變器SG30KTL-M；2014年，陽光電源SG60KTL-M、SG60KTL組串逆變器采用了SiC MOS器件；2017年，陽光電源將SiC模塊規(guī)?；瘧?yīng)用于SG80KTL-M組串逆變器。

（9）北京低碳清潔能源研究院開發(fā)了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器

國家能源集團北京低碳清潔能源研究院自主開發(fā)了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器，與現(xiàn)有光伏逆變器相比具有體積小、重量輕等優(yōu)點，既降低了系統(tǒng)成本，又提高了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)安全性，可以以此構(gòu)建低成本高效率的光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)。為了解更多關(guān)于碳化硅光伏逆變器方面的最新研究進(jìn)展，“第六屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會——碳化硅半導(dǎo)體論壇”特邀北京低碳清潔能源研究院 楊文強研發(fā)經(jīng)理與大家分享《全碳化硅高頻隔離光伏逆變器的研制》。