【科普】碳化硅(SiC)引領光伏發電產業轉型升級

第三代高性能碳化硅光伏逆變器項目是清谷逆創的新能源芯片與系統產業鏈佈局,為山東省微山縣量身定做的芯片應用產業鏈。

每個手機都配有電源變換器,把220V交流電變換成5V直流電,給手機供電和充電。光伏太陽能板,在陽光照射下能發電出幾十伏特的直流電,電壓隨日照強弱還會浮動,因此實際使用時,需要一個電源變換器,通常是把光伏的直流電變換成220V交流電,因此叫逆變器。逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220v50HZ正弦波)。逆變器不僅具有直交流變換功能,還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。

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隨著太陽能光伏產業的發展,各項技術日漸成熟,使得各部分的成本都得以降低,光伏發電的經濟性大幅提高,但是當系統的效率越來越高的同時,進一步的效率改善會導致產品性價比的低下,因此 如何保持一個很高的效率,又能維持很好的價格競爭力將是當前最重要的課題。

然而光伏併網逆變器是光伏發電技術的核心,逆變器的工作效率很大程度上決定了太陽能的利用效率。研究光伏併網逆變器對於發展清潔能源、減少環境汙染具有深遠的意義。

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光伏逆變器可以分為以下三類

1、獨立逆變器(Stand-alone inverters)

用在獨立系統,光伏陣列為電池充電,逆變器以電池的直流電壓為能量來源。許多獨立逆變器也整合了電池充電器,可以用交流電源為電池充電。

2、併網逆變器(Grid-tie inverters)

逆變器的輸出電壓可以回送到商用交流電源,因此輸出弦波需要和電源的相位、頻率及電壓相同。併網逆變器會有安全設計,若未連接到電源,會自動關閉輸出。若電網電源跳電,併網逆變器沒有備存供電的機能。

3、備用電池逆變器(Battery backup inverters)

是一種特殊的逆變器,由電池作為其電源,配合其中的電池充電器為電池充電,若有過多的電力,會回灌到交流電源端。這種逆變器在電網電源跳電時,可以提供交流電源給指定的負載,因此需要有孤島效應(電流通路而實際沒有電流流過的現象)保護機能。

半導體行業從誕生至今,先後經歷了三代材料的變更歷程,截至目前,功率半導體器件領域仍主要採用以Si為代表的第一代半導體材料。

但隨著功率半導體器件逐漸往高壓、高頻方向發展,傳統的硅基功率半導體器件及其材料已經接近物理極限,再往下發展的空間很有限。

而以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代化合物半導體材料又存在成本高、有毒性、環境汙染大等缺點,難以被採用。

於是產業將目光向以SiC、GaN為代表的第三代半導體材料聚焦,以期開發出更能適應高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的功率半導體器件,目前各國仍在努力佈局中。

第三代碳化硅(SiC)逆變器

碳化硅(SiC)是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料,碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶), 達到3.09電子伏特,相比於Si材料的禁帶寬度大半導體材料的禁帶寬度決定其器件的工作溫度,材料禁帶寬度的值越大,器件的工作溫度也就越高。因此,在高達600的溫度下,SiC器件仍然可以正常工作。其絕緣擊穿場強為硅的5.3 倍,高達3.2MV/cm.,其導熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k,與Si同種類型的功率器件相比,SiC功率半導體器件可以在更高的工作電壓下工作。

第三代高性能碳化硅光伏逆變器優勢

1. 效率高,能量流失低

提高能源利用效率對許多廠商來說是令人頭疼的難題。而碳化硅器件具有大幅提高設備的能源利用效率的特質。碳化硅功率模塊與採用硅基IGBT的功率模塊相比,可將開關損失降低85%。

2. 功率密度高,可以負載更高的頻率,以及更小的體積

由於碳化硅器件與硅器件相比,有更高的電流密度。在相同功率等級下,碳化硅功率模塊的體積顯著小於硅基IGBT模塊。豐田的技術人員在一場演講會上公開表達了對SiC的期待,他所強調的碳化硅功率器件的優點之一就是能實現功率模塊的小型化。以IPM(Intelligent Power Module)為例,估計利用碳化硅功率模塊,體積可縮小至硅功率模塊的2/3-1/3。

3. 耐高溫,更可靠

由於碳化硅器件的能量損耗只有硅器件的一半,發熱量也只有硅器件的一半;另外碳化硅器件還有非常優異高溫穩定性,因此散熱處理也更加容易進行,不但散熱器可以顯著減小,還可以實現逆變器與馬達的一體化。


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