【科普】碳化硅(SiC)引领光伏发电产业转型升级

第三代高性能碳化硅光伏逆变器项目是清谷逆创的新能源芯片与系统产业链布局,为山东省微山县量身定做的芯片应用产业链。

每个手机都配有电源变换器,把220V交流电变换成5V直流电,给手机供电和充电。光伏太阳能板,在阳光照射下能发电出几十伏特的直流电,电压随日照强弱还会浮动,因此实际使用时,需要一个电源变换器,通常是把光伏的直流电变换成220V交流电,因此叫逆变器。逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v50HZ正弦波)。逆变器不仅具有直交流变换功能,还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。

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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,但是当系统的效率越来越高的同时,进一步的效率改善会导致产品性价比的低下,因此 如何保持一个很高的效率,又能维持很好的价格竞争力将是当前最重要的课题。

然而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。

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光伏逆变器可以分为以下三类

1、独立逆变器(Stand-alone inverters)

用在独立系统,光伏阵列为电池充电,逆变器以电池的直流电压为能量来源。许多独立逆变器也整合了电池充电器,可以用交流电源为电池充电。

2、并网逆变器(Grid-tie inverters)

逆变器的输出电压可以回送到商用交流电源,因此输出弦波需要和电源的相位、频率及电压相同。并网逆变器会有安全设计,若未连接到电源,会自动关闭输出。若电网电源跳电,并网逆变器没有备存供电的机能。

3、备用电池逆变器(Battery backup inverters)

是一种特殊的逆变器,由电池作为其电源,配合其中的电池充电器为电池充电,若有过多的电力,会回灌到交流电源端。这种逆变器在电网电源跳电时,可以提供交流电源给指定的负载,因此需要有孤岛效应(电流通路而实际没有电流流过的现象)保护机能。

半导体行业从诞生至今,先后经历了三代材料的变更历程,截至目前,功率半导体器件领域仍主要采用以Si为代表的第一代半导体材料。

但随着功率半导体器件逐渐往高压、高频方向发展,传统的硅基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限,再往下发展的空间很有限。

而以砷化镓(GaAs)为代表的第二代化合物半导体材料又存在成本高、有毒性、环境污染大等缺点,难以被采用。

于是产业将目光向以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料聚焦,以期开发出更能适应高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的功率半导体器件,目前各国仍在努力布局中。

第三代碳化硅(SiC)逆变器

碳化硅(SiC)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带), 达到3.09电子伏特,相比于Si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。其绝缘击穿场强为硅的5.3 倍,高达3.2MV/cm.,其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k,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。

第三代高性能碳化硅光伏逆变器优势

1. 效率高,能量流失低

提高能源利用效率对许多厂商来说是令人头疼的难题。而碳化硅器件具有大幅提高设备的能源利用效率的特质。碳化硅功率模块与采用硅基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。

2. 功率密度高,可以负载更高的频率,以及更小的体积

由于碳化硅器件与硅器件相比,有更高的电流密度。在相同功率等级下,碳化硅功率模块的体积显著小于硅基IGBT模块。丰田的技术人员在一场演讲会上公开表达了对SiC的期待,他所强调的碳化硅功率器件的优点之一就是能实现功率模块的小型化。以IPM(Intelligent Power Module)为例,估计利用碳化硅功率模块,体积可缩小至硅功率模块的2/3-1/3。

3. 耐高温,更可靠

由于碳化硅器件的能量损耗只有硅器件的一半,发热量也只有硅器件的一半;另外碳化硅器件还有非常优异高温稳定性,因此散热处理也更加容易进行,不但散热器可以显著减小,还可以实现逆变器与马达的一体化。


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