碳化硅光伏逆变器发展现状

孙凯 陈彤 张瑜洁

一、碳化硅功率器件的重要性

从工业革命到现在，能源作为人类生活和工业水平进步的基础，有着极其重要的地位。当前人类获取使用的能源多数是不可再生能源，但随着世界经济发展，工业水平提高，能源的需求量也将越来越大，单一使用化石能源显然会越来越难以满足目前世界工业和经济发展的需求。现在世界上许多国家都在倡导可再生能源的利用，其中太阳能呼声较高。太阳能开发方便，不需要运输和开采；不会对环境造成负担；总量巨大可以说取之不尽、用之不竭。光伏效应可以将太阳能转化成电能，这成为利用太阳能的一种有效手段。

1992年“世界环境与发展大会”通过的《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等重要文件，着重关注环境和发展，确立了可持续发展的模式。此后，世界各国都更加注重利用开发太阳能。中国政府对此也高度重视，制定了《中国21世纪议程》和《新能源和可再生能源发展纲要》等文件，进一步明确了太阳能重点发展项目，坚定了大力发展太阳能的决心，同时也刺激了国内光伏行业的发展。

近几十年来，全球范围内的光伏电池产量逐年增加，年均增长率超过50%。尤其进入21世纪后，这一增速更快。我国也紧跟潮流，2007年之后，我国光伏产业发展速度远超全球平均水平。2010年，全球共生产光伏电池容量为1 600万kW，其中我国占60%以上。同年，全球光伏发电总装机容量接近 4 000万kW，大部分应用在发达国家市场；其中德国作为发展光伏产业的领头羊2010年新增装机容量占全球装机总量的近20%。随着太阳能光伏产业的发展，各项技术日渐成熟，使得各部分的成本都得以降低，光伏发电的经济性大幅提高。

为了实现光伏并网发电，其中的一项关键技术就是逆变器，用于将光伏效应产生的直流电转换成交流电，便于并入电网加以利用，因此光伏并网逆变器是光伏发电技术的核心，逆变器的工作效率很大程度上决定了太阳能的利用效率。研究光伏并网逆变器对于发展清洁能源、减少环境污染具有深远的意义。

电力半导体器件是光伏并网逆变器的核心部件。现如今在电气行业中使用的各种半导体器件多以硅（Si）材料为基础，已经发展得相当成熟。Si是一种半导体材料，被广泛应用于各种电子管和集成电路。随着电力半导体器件使用场合日益丰富，在一些对性能要求较高以及工作环境较恶劣的应用场合，硅器件的使用便受到限制，这就要求人们开发性能更优越的半导体器件，于是，碳化硅（SiC）等宽禁带半导体器件应运而生。

二、SiC功率器件的优势及发展

1.SiC功率器件的优势

SiC半导体作为继硅和砷化镓之后的“第3代半导体”，是目前最受人们关注的功率器件材料。SiC属于宽禁带半导体材料，在功率器件制造方面具有非常广阔的前景。相比于Si材料，SiC等宽禁带半导体材料具有以下优势：

（1）SiC材料的禁带宽度大

半导体材料的禁带宽度决定其器件的工作温度，材料禁带宽度的值越大，器件的工作温度也就越高。因此，在高达600℃的温度下，SiC器件仍然可以正常工作，而且SiC还具有很好的抗辐射能力。由SiC制成的高温集成电路可以在一些航空设备、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等方面发挥其在高温方面的独特优势。（2）SiC材料的临界击穿电场高

SiC的临界击穿电场约为3MV/cm，这个值大约为Si器件的10倍、砷化镓（GaAs）器件的5倍左右。与Si同种类型的功率器件相比，SiC功率半导体器件可以在更高的工作电压下工作，例如Si肖特基二极管的击穿电压一般为100～200V，而S i C肖特基二极管的击穿电压可以达到1 000～2 000V。因此，SiC临界击穿电场高的特性使得其实现输变电技术对功率半导体器件的耐高压的要求变得更加容易。

（3）SiC功率器件的比导通电阻小

功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比。由于SiC的击穿电场是Si的10倍左右，所以SiC器件比Si器件的比导通电阻要小得多。也就是说，在击穿电压相同的情况下，SiC器件的比导通电阻值只有Si器件的百分之一。SiC器件较低的比导通电阻可以使系统的损耗降低，从而使系统效率得到提高。（4）SiC材料的热导率高

SiC材料的热导率大约为4.9W/（cm·K），这个值比Si材料和GaAs材料分别高大约3～10倍。鉴于SiC的这个优势，如果集成电路采用SiC材料来制作，就可以使散热系统得到极大的减少，也就可以使装置的质量以及体积得到有效地减小，进而使系统的集成度得以提高，并且在高温以及高辐射的环境中使整个系统的稳定性和可靠性得到很好的改善。比如SiC场效应晶体管（JFET）在500℃下加压测试，成功工作2 000h，器件性能并没有发生明显改变，表现出器件良好的可靠性。SiC器件高温传感器，探测器和电子控制系统已经成功应用于各种高温环境，例如石油勘探、宇宙飞船、钻井等，克服了传统材料在高温应用方面的缺陷。

（5）电子饱和漂移速度高

SiC材料的电子饱和漂移速度是Si材料的2.5倍左右，因此具有开关速度快和电流密度高的优势，因此特别适合高频和大功率方面的应用。

由于SiC功率器件具有高击穿电压，高工作频率且耐高温等优势，同时比导通电阻以及开关损耗也较小，所以采用SiC功率器件可以很大程度地降低系统的功耗以及减小系统的质量和体积。特别是在高频、高温和大功率电力电子应用领域，SiC电力电子器件优异的电气性能使其具有Si半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。

因此，在相同的功率等級下，使用SiC器件来代替Si器件可以在大幅提高光伏并网逆变器变换效率的同时，还可以通过提高光伏并网逆变器的开关频率，减小滤波元件的体积；并通过提高光伏并网逆变器的高温运行能力，降低散热设计的难度和成本。

2.SiC功率器件的发展

早在20世纪90年代，就有学者开始对SiC功率器件进行研发，在SiC发展的这20年中，主要的研究方向是SiC整流器。其中，发展速度最快的是SiC肖特基二极管（SBD）的研发，由于SiC SBD的反向恢复时间比Si SBD小得多，所以SiC SBD的反向恢复现象可以忽略不计。2001年，英飞凌（Infineon）公司推出首款SiC SBD，随后CREE公司和Microsemi公司也相继推出了SiC SBD产品，预示着SiC功率器件开始进入商业市场。2003年，美国Rutgers大学研制出击穿电压为10.8kV、导通电阻为97mΩ·cm2的SiC SBD。2008年，东芝公司报道了一种Super-SBD，其特性接近4H-SiC材料極限，该器件具有高达27kV的击穿电压以及超低的导通电阻（257mΩ·cm2）。2009年，Infineon公司推出了新一代的SiC SBD产品，最高耐压为1.2kV，最大电流为20A。2011年，CREE公司也推出了具有相同性能的SiC SBD。同在2011年，国内第一家致力于SiC功率器件研究、设计和生产的高科技企业——泰科天润半导体科技（北京）有限公司（以下简称“泰科天润”）在北京注册成立。泰科天润在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂，可在4英寸的SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺，该公司于2014年起已经可以批量生产发售2-100A、500-1700V范围内的SiC肖特基二极管，器件特性达到国际先进水平，其他SiC功率器件，如SiC BJT、SiC JFET等也都在研发中。目前，SiC SBD的主要应用领域有功率因数校正器、太阳能/风能逆变器、工业电机驱动装置、输出整流器、混合电动汽车/电动车的充电器以及家电应用。

与此同时，SiC其他类型的功率器件如JFET、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的制造技术也在非常快速的发展，许多国内外的科研院所以及半导体公司都将SiC功率器件作为重点研究对象，推进SiC功率器件实现商业化。目前，一些国外知名企业，如罗姆、CREE等公司已经开始实现反向电压为600V和1 200V的功率MOSFET的商业化。国外某市场调查公司预测的全球目前SiC器件的市场份额如图1所示。可以看出，SiC的市场份额在逐年增加，相信随着SiC的不断发展，SiC最终会成为制作功率器件的主要材料。因此，商业化逆变器采用SiC功率器件作为其主要的电力电子器件变得越来越容易实现。

三、光伏逆变器的基本类型

从是否含有隔离变压器的角度，光伏并网逆变器可以分为隔离型和非隔离型2大类。隔离型逆变器可以根据工作频率分为工频和高频2种；非隔离型逆变器根据构成不同可以分为单级和多级2种。

1.隔离型光伏逆变器

工频隔离型变压器是最常见的一种方式，期工作示意图如图2所示。太阳能板PV产生直流电，经过一个逆变器转变为交流电，这个交流电的相位可以经过控制，与电网电压保持一致，但它的幅值与电网电压幅值不同，所以要经过一个工作频率为电网电压工作频率的变压器，才能接入电网。但工频变压器效率不高，导致整个逆变器效率较低。

高频隔离型逆变器工作示意图如图3所示。比工频隔离型逆变器多了一个DC-DC（只对直流参数进行变换的电路）环节，可以提高变压器的工作频率而不受电网频率的限制。这样做的优点是减小了变压器的体积和质量，增加了逆变器的功率密度。

2.非隔离型光伏逆变器

在隔离型光伏逆变器中，电能会转化为磁能，然后又转化为电能，这个转化的过程会产生能量损耗，同时也增加了逆变器的体积。为了提高光伏逆变系统的效率，可以采用非隔离型的方案，非隔离型根据电路拓扑可分为单级式以及多级式。在单级式中，光伏阵列输出通过逆变器直接并网，因此要求光伏阵列的输出电压较高，达到直接并网的电压等级。对于两级式光伏逆变系统，逆变电路之前有一级DC-DC电路，通常是Boost电路，以增加对光伏阵列的输出电压范围的适应性。单级式非隔离型逆变器工作示意图如图4所示。将太阳能板输出直接逆变为电网电压，对逆变器输出电压的控制要求较高。

两级式非隔离型变压器工作示意图如图5所示。将太阳能板的输出电压先经过一个DC-DC变换器升压，经过解耦电容后再进行逆变，接入电网。解耦电容可以解决输入输出功率不匹配的问题。

四、SiC光伏逆变器备受关注

SiC肖特基二极管现在已经在太阳能逆变器市场中得到应用，欧洲市场尤为多见。由于采用SiC SBD可以使整个系统的效率提高，所以许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术。太阳能面板的功能是将采集来的太阳能转化为正向直流电压。再采用升压转换器，将转化成的直流正电压升高到一个恒定直流电压，这个升压转换器在高频开关操作。SiC SBD能消除升压二极管的开通损耗，从而提高了升压段的效率。然后，再使用一个逆变器，将此恒定直流电压转换为可用的交流电压，此交流电压的频率保持恒定。SiC SBD不仅能消除此段续流二极管中的二极管开关损耗，同时也能降低IGBT开通损耗，从而使逆变器的效率得到显著提高。如果采用效率更高的系统，太阳能面板采集的太阳能就能更多地转化为可用的电能。采用碳化硅器件，转换器的平均工作效率能从Si器件转换器接近96%的平均工作效率提升至97.5%，可以使逆变器损耗降低25%。这些太阳能设备的使用寿命一般都长于30年，因此，如果逆变器采用碳化硅器件，就能显著提高节能效益。

众企业一致认为，SiC逆变器受到各方面关注的原因大致有3个：首先，使用SiC二极管的逆变器，可以使系统的电力损失得到减少。相比于Si二极管，使用SiC二极管可以减少约30%的损失。其次，SiC二极管可以使逆变器的体积和质量大大减小。这是由于SiC散热快，缩小了系统的冷却机构。利用SiC二极管，可使逆变器的体积和重量减少40%～60%左右。第三，SiC逆变器已在日本市场得到实际验证。东京地铁（Tokyo Metro）银座线的新“01系列车”就采用了SiC逆变器，不仅降低了逆变器的电能损耗，还提高了电能再生性能，从而降低了耗电量。据报道，在行驶所用电力中返回到输电线的通过回收制动能量得到的电力所占的比例（再生率）由原来的22.7%提高到了51.0%，其节能效果已被实际验证。

五、SiC逆变器开发实例

1.英飞凌推出用于光伏逆变器的SiC型JFET

德国Infineon开发出了适用于光伏发电用逆变器的耐压为1 200V的SiC型JFET“CoolSiC产品群”，并在2012年5月8-10日于德国举行的电源技术展会“PCIMEurope2012”上宣布投產。新产品的主要用途为光伏发电的逆变器装置。如果采用SiC型JFET代替现有逆变器装置中使用的IGBT，便可以实现装置的小型轻量化。这是因为新产品可实现高于IGBT的工作速度，也就是说，即便提高工作频率，也能降低开关损耗。因此，电感器以及电容器等被动元件可使用小型产品，所以能够实现整个装置的小型轻量化。

2.日本电装试制出输出功率密度高达60kW/L的SiC逆变器

日本电装试制出了采用SiC功率元件制成的逆变器。该逆变器的特点是输出功率密度高达60kW/L，该公司称此为“全球最高水平”。该试制品将原来的Si功率器件改为SiC功率器件，同时改进了功率元件内部的构造以及逆变器模块内的布线，实现了低电阻化，从而降低了电力损耗，使发热量比原产品减少了68%。

3.富士电机推进SiC MOSFET实用化，首先用于光伏逆变器

富士电机开始推进SiC MOSFET的实用化。最初打算用于该公司2014年8月开始量产的大型光伏电站用逆变器，该逆变器的输入电压为DC1 000V、输出功率为1 000kW。该公司已经推出了SiC二极管产品，在逆变器的升压电路中采用了配备该SiC二极管和该公司的SiC MOSFET的功率模块，由此提高了转换效率并实现了小型化。新款逆变器的转换效率为98.8%，属于“行业最高水准”（富士电机），该公司以前产品的效率为98.5%。逆变器新产品的尺寸为2 980mm×1 900mm×900mm，体积比原产品小20%。体积减小后，无需分拆即可搬运。以前，1 000kW级的逆变器尺寸较大，一般需要拆开来搬运，富士电机称“此次是业内首次实现1 000kW级的一体型室内机”。该逆变器配备的SiC功率元件在富士电机的工厂生产，采用的是6英寸的SiC晶圆。

4.田渊电机在光伏逆变器中采用SiC二极管

田渊电机是日本首家在光伏逆变器中采用SiC二极管的企业。该公司的常务执行董事坂本幸隆表示“随着光伏发电需求的增加，光伏逆变器的销量越来越大。量产效果应该有助于降低功率半导体的成本”。该公司采用SiC二极管的逆变器通过减少开关损耗和导通损耗，大幅降低了转换损失。虽然目前仍需组合采用IGBT，但今后，通过完全采用SiC，估计损耗还将减少60%左右。坂本幸隆介绍说，“采用SiC二极管并没有造成成本大幅上涨，如果能全部使用SiC，成本反而有可能降低”。

5.三菱电机推出采用SiC的光伏逆变器产品

在可再生能源技术及产品展会“PVJapan2014”上，各公司纷纷展示了采用SiC等新一代功率半导体的光伏发电用逆变器（电源调整器）。其中，三菱电机展示了刚刚宣布将于2015年1月上市的产品。该公司表示，“这将是全球首款采用SiC的光伏逆变器产品”。三菱电机展示的是功率半导体元件全部基于SiC的“全SiCIPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）”电源调整器产品。支持4.4kW的输出功率，将直流电力转换成交流电力的转换效率为98.0%。三菱电机在电源调整器上采用的全SiC-IPM中只使用一个逆变器，通过简单的结构就实现了98.0%的转换效率。三菱电机表示，该公司预定2014年11月开始销售的转换效率为96%的电源调整器中，支持4.0kW输出的产品的建议零售价为34万日元，这样看来，“配备全SiC-IPM的产品的价格并不算太高”。

六、结语

SiC功率器件凭借其高的阻断电压、高工作频率、高热导率以及低损耗等优势，可以有效地提高光伏逆变器的转换效率，降低能耗，减小装置体积和质量。因此，SiC被认为是第3代半导体材料中最有发展前景的新型材料之一，相信随着SiC成本逐渐降低，工艺以及可靠性的逐步优化，SiC功率器件必将会在光伏逆变器等新能源领域得到广泛的应用。