光伏功率器件实现国产替代需克服的技术挑战

　　【哔哥哔特导读】双碳计划推动下，光伏市场越来越发达，光伏逆变器市场也逐渐扩大。功率器件在光伏逆变器领域国产替代率不足15%，目前，国内光伏逆变器功率器件还存在哪些技术挑战?

　　前言：

　　在双碳计划的出台推动下，我国光伏市场发展也越来越发达，上游零部件无论是光伏逆变器还是功率器件都获得了比较好的收益。截止2021年底，光伏发电并网装机容量达到3.06亿千瓦，光伏发电并网装机容量突破3亿千瓦大关，连续7年稳居全球首位，行业得到快速发展，光伏产业已正式进入平价上网时代。本文将针对光伏逆变器领域市场，分析光伏逆变器功率器件实现国产替代需克服的技术挑战以及发展前景进行分析探讨。

　　(图源深圳古瑞瓦特新能源有限公司官网)

　　光伏

　　一、光伏逆变器市场规模及细分市场占比

　　根据中国光伏行业协会预测，2023年中国光伏新增装机量将达到81.6GW，2025年全球新增光伏规模将达到270—330GW,较2021年170GW的新增装机量继续保持稳增长。光伏市场的繁荣带动了光伏逆变器的市场。2019年以来，中国光伏逆变器市场规模保持增长走势，2021年市场规模为86亿元，同比增长12.36%。光伏逆变器可根据工作原理分为集中式光伏逆变器、组串式光伏逆变器以及微型光伏逆变器逆变器。据公开数据显示，2021年光伏逆变器市场中，组串式光伏逆变器占了69.6%，集中式光伏逆变器占比为27.7%，集散式光伏逆变器和微型光伏逆变器约占2,7%。

　　二、光伏逆变器功率器件实现国产替代需克服的技术挑战

　　IGBT是光伏逆变器的核心器件。光伏逆变器原材料由机构件(27.6%)、电感(14.2%)、半导体器件等构成，半导体器件和集成电路材料主要为IGBT元器件、IC半导体，其中以IGBT为主的半导体器件占逆变器成本约为12%左右。光伏逆变器选用的功率器件一般不需要特定的认证，都是厂家提出的标准，主要还是看客户的工作环境需求和设计规约。

　　深圳古瑞瓦特新能源有限公司光伏逆变器研发经理王文谈到：“目前，公司一部分光伏逆变器机型用的是国内的功率器件，一部分光伏逆变器机型用的是国外的功率器件。国内功率器件成本价格有优势，产能也能满足需求，这是选择国产功率器件的原因。国外功率器件起步早，经验丰富，IGBT模块起步早，与国内相比可靠性稳定性还是有差异的。”有数据显示，IGBT的国产渗透率不足15%，国内光伏逆变器功率器件还存在哪些技术挑战?

　　可靠性要求

　　光伏功率器件对于可靠性的要求也非常高。众所周知，光伏应用场地非常丰富，沙漠，海边，高寒地带等等都能建设光伏。复杂的应用场景要求光伏逆变功率器件具有较高的可靠性。士兰微是国内规模最大的集成电路芯片设计与制造一体(IDM)的企业之一，是国内重要的光伏逆变器功率器件厂商。光伏逆变器输入接光伏面板，输出接电网，不同国家、不同地区的电网质量不一样，对功率器件的参数、可靠性要求也更高，需要对功率器件鲁棒性加强设计。士兰微对光伏用功率器件质量管控严格，鲁棒性高能适用复杂的应用场景。”

　　另外，东海半导体光伏产品前端研发总监黄传伟介绍到：“东海半导体在光伏逆变器这个领域产品这个平台比较齐全，从中高低压的MOSFET到 IGBT。IGBT主要是650伏1200伏，这两个大平台这些产品的布局还都比较齐全。公司产品可靠性寿命比业界要求的500 、1000小时还要高，可以远远超过1000小时。另外，我司产品的一个使用结温比较高，基本上都是在150度。”黄传伟先生表示：“在光伏逆变器领域功率器件产品普遍存在电应力能力不足的，这会影响光伏逆变器使用的长期寿命。”

　　一致性要求

　　光伏逆变器用功率器件多管并联对于产品一致性提出更高要求。光伏逆变器用功率器件无论是IGBT模块还是IGBT单管都涉及到多管并联，多管并联越繁杂对产品一致性要求越高。东海半导体光伏产品前端研发总监黄传伟谈到：“光伏逆变器用功率器件模块或单管并联的管子、芯片越多，对一致性要求就会越苛刻，这也是目前的一个技术难点。”

　　提高功率密度

　　提高功率密度一直是光伏逆变器功率器件厂商一个永恒的话题，提高功率半导体器件密度可以能让光伏逆变器产品提高效率，使光伏逆变器产品尺寸更小，成本更低。通过优化设计方案或使用高功率度的半导体功率器件，可以提高产品功率密度。近年来，第三代半导体逐渐运用到光伏逆变器领域，得益于优异的材料性能， SiC 器件的性能较 Si 器件有明显提升，可以满足未来光伏变换器的需求目标。士兰微应用经理黄军表示到：“第三代SiC半导体有更高的运行温度，更快的开关速度，利于整机提高效率，减小体积;目前SiC SBD已在光伏逆变器上大量使用，提升了功率半导体器件的功率密度;SiC MOSFET也有应用，但使用场合较少;SiC功率器件速度较快，对整机EMI有更大的挑战。”

　　上海贝岭市场经理冒晶晶补充到：“光伏逆变器需要综合考虑功率器件的开关损耗和导通损耗，使功率器件工作时的总损耗最低，同时器件需要具有一定的短路能力应对异常工况，使系统有足够的反应时间进入保护状态。某些产品还需要追求更小的反向恢复电流和较软的反向恢复特性等。”

　　三、光伏逆变器功率器件技术发展趋势

　　目前，光伏逆变器功率器件光伏逆变器功率器件正朝着高可靠性，高功率，高温，高频以及智能化、系统化方向发展。东海半导体光伏产品前端研发总监黄传伟谈到：“首先第一个趋势就是高可靠性，目前通用的这种工业级车规级的1000小时的可靠性一个考核标准。公司也在跟国际上主流的一些厂家，包括英飞凌、安森美相对比。目前我们公司的产品已经远远超过了1000小时的可靠性寿命要求，基本上可以达到英飞凌的水平，英飞凌是在2000小时以上，东海半导体也做到了2000小时。”

　　关于技术趋势方面，士兰微应用经理黄军说道：“光伏逆变器用功率器件有高鲁棒性，低损耗的特性，其中高鲁棒性为主要特点;推测未来的半导体功率器件的发展方向是高鲁棒性、高功率密度及高效率。”

　　四、光伏逆变器市场未来发展前景

　　在双碳计划，十四五目标与规划带来的各项利好光伏发电政策的颁布与实施，加上人们环保意识的提升以及社会缺电的社会背景下，光伏作为清洁能源的太阳能在电力装机结构中的渗透率正在提升。光伏逆变器市场规模也在逐步提升。近几年，我国政府也相继出台有助于光伏行业发展的政策。社会发展的趋势加上政策鼓励的支持，都让光伏产业发展迅猛，光伏逆变器市场也因此受益。

　　公开数据显示在国内市场，功率器件在光伏领域的国产渗透率不足15%，光伏逆变器功率器件市场缺口较大。我国IGBT厂商起步比较晚，但是近年来也取得明显的提高。值得一提的是，士兰微基于自主研发并制造的5代IGBT芯片的光伏逆变模块、电动汽车主驱模块也已大量投放市场。士兰微应用经理黄军表示：“光伏逆变器市场平稳发展，逐年呈现稳定增长态势。目前微逆、户用等基本全用分立器件，工商业应用分立器件和模块并存，以模块为主;随着分立器件功率密度增大，工商业应用有分立器件替代模块的趋势;电站项目往单机更大功率方向发展。针对这些市场预测，士兰已布局开发额定电流更大的分立器件替代工商业模块应用场合;与国内TOP客户合作电站项目大功率模块开发。”

　　关于海外市场，上海贝岭市场经理冒晶晶回答道：“海外主要装机市场需求保持旺盛，国内大基地+整县分布式快速推进，将带动光伏逆变器产量持续增长。我司在该市场领域，依托“强有力的产品设计+集团内部FAB制造”在产品方面已经做了较为全面的布局。同时基于公司在能源检测和计量方面的突出优势实现了市场客户的布局。相信公司在该赛道能和客户形成紧密的联系和协作，实现良好的双赢局面。”

　　结语：

　　无论是社会发展的趋势背景还是政府颁布的支持政策，无疑表明光伏逆变器市场是功率器件厂商的一片蓝海，光伏逆变器市场缺口大，未来有很大发展空间。但对于功率器件厂商也需要解决长期可靠性稳定性、一致性等的技术挑战。比亚迪王传福曾经说过中国1%的沙漠的沙漠地区覆盖太阳能光伏板就可以解决13亿人的用电问题，要知道现在中国人口已经不止13亿了，这样大规模的发电方案现在看来难以实现，期待半导体功率器件厂商实现更多的技术突破，早日解决人们的用电问题。

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