当光伏逆变器中应用碳化硅会有什么效果？

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随着光伏产业迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”的时代，光伏电站电压等级将从1000V提升至1500V及以上，对功率器件的物理性能提出了更高的要求，此时碳化硅进入了大众视野。近年来，太阳能电池板的“大尺寸、高功率、大密度”发展趋势非常明显，传统光伏逆变器硅基器件无法满足效率和发热方面的需求，因此各方面性能更优越的碳化硅器件脱颖而出。

目前，我国碳化硅产业已经处于高速发展时期，它的快速发展也带动原材料与设备两个千亿级产业，链接多个核心市场。以光伏领域为例，CASA 数据评估：预计到2025年，碳化硅功率器件在光伏逆变器中的占比将高达50%。综合统计新增和更换两大市场，届时我国光伏领域碳化硅的需求量将达到16万片。碳化硅（SiC）在太阳能发电应用中比硅具有多种优势，其击穿电压是传统硅的十倍以上，比硅更低的导通电阻，栅极电荷和反向恢复电荷特性，以及更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以在比硅等效器件更高的电压，频率和电流下切换，同时更有效地管理散热。在光伏发电应用中，虽然以硅基器件为主的传统逆变器成本约占系统10%左右，但它却是系统能量损耗的主要来源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOS具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、无电流拖尾现象、高开关速度等优点，并且可以在高温等恶劣的环境中工作，有利于提高光伏逆变器使用寿命。基于SiC优异的性能，SiC在光伏领域的应用逐渐成熟，伴随渗透率的进一步提升，其有望逐渐替代硅基IGBT在光伏逆变器上的应用。

 硅MOSFET广泛用于高达300V的开关应用中，高于该电压时，器件的导通电阻上升，设计者不得不转向较慢的双极器件。SiC的高击穿电压意味着它可以用来制造比硅中可能的电压高得多的MOSFET，同时保留了低压硅器件的快速开关速度优势。开关性能也相对独立于温度，从而在系统升温时实现稳定的性能。SiC的导热系数也是硅的3倍，可以在更高的温度下运行。硅在175℃左右就无法正常运行，甚至在200摄氏度时直接会变成导体。而SiC直到1000℃左右才发生这种情况。

 可以通过两种方式利用SiC的热特性。首先，它可以用于制造功率转换器，而该转换器所需的冷却系统要少于等效的硅系统。另外，SiC在较高温度下的稳定运行可用于空间非常宝贵的情况下制造密集的电源转换系统，例如车辆和蜂窝基站。由于功率转换效率与开关频率直接相关，因此，SiC既可以处理比硅更高的电压，又可以确保高转换效率所需的超高转换频率，实现了双赢。

此外，通过以下方案还有助于提高能量转换效率、降低系统成本，并提供更可靠的电力供应，从而推动绿色能源的发展。

光伏逆变器通常包含微逆、单相组串和三相组串逆变器，以及集中式逆变器，功率范围从几千瓦到兆瓦不等。在工商业应用中，常见功率主要集中在10千瓦至320千瓦。首先，DC-DC变换单元将可变直流电压转化为固定直流电压，通过最大功率点追踪（MPPT）技术从光伏板中提取最大功率。在这一过程中，系统的效率显得尤为重要，SiC二极管和MOSFET在降低成本、提高效率方面发挥着显著作用。DC-AC变换单元将直流电转换成适用于并网的交流电，其中三电平拓扑结构因其显著的效率提升和较小的谐波等优势而得到广泛应用。
户用储能系统一般功率小于10千瓦，通常采用两级隔离式结构，以确保家庭和住宅用电的安全。通过上述拓扑结构，采用SiC器件可以提高开关频率，从而提高效率、功率密度，减小功率转换系统的尺寸和体积，以及减轻重量，便于家庭安装。

与户用储能系统相比，工商业储能系统的Vbus电压等级较高，通常有1000V系统和1500V系统。在设计时，储能系统的关键是降低损耗，提高能量转换效率。根据不同的场合，可以有针对性地选择三种三电平拓扑结构。