在“碳中和”背景下，大力發(fā)展太陽能(néng)光伏等清潔能(néng)源産業已是大勢所趨。中國(guó)光伏行業協會(huì)最新報告顯示，2021年我國(guó)光伏新增裝機達54.88GW，同比增長(cháng)13.9%，創曆史新高。歐美等國(guó)對(duì)光伏發(fā)電的投入也在不斷提高，2021年全球光伏新增裝機達到170GW。

IGBT作爲光伏逆變器（直流轉交流）的重要組成(chéng)部分，在光伏等領域的應用極爲廣泛。随著(zhe)光伏裝機量的持續增長(cháng)，對(duì)IGBT的需求也迅速攀升。近來，市場上就(jiù)不斷有關于國(guó)際大廠IGBT賣斷貨的消息傳出，這(zhè)種(zhǒng)形勢也爲國(guó)内IGBT産業的發(fā)展提供了契機。

2025年光伏IGBT市場規模將(jiāng)達百億元

近年來，光伏産業熱潮不斷。2021年我國(guó)新增光伏發(fā)電裝機量達到54.88GW，連續9年穩居世界首位。中國(guó)光伏行業協會(huì)還(hái)預計2022 年我國(guó)光伏新增裝機量將(jiāng)達75G～90GW，2022-2025 年我國(guó)年均新增光伏裝機量達到83GW～99GW。與此同時(shí)，出口市場也不斷增長(cháng)。日前，歐盟發(fā)布能(néng)源獨立路線圖，力求從天然氣開(kāi)始，在2030年前擺脫對(duì)俄羅斯的能(néng)源進(jìn)口依賴。3月15日，歐盟理事(shì)會(huì)通過(guò)了“碳邊境調節機制（CBAM）”。專家認爲，歐洲大概率會(huì)加速光伏布局與應用，今年歐盟光伏新增裝機量可能(néng)會(huì)超出預期。

在此情況下，作爲光伏逆變器核心器件的IGBT，市場空間也被(bèi)極大拓展。對(duì)此，賽晶科技董事(shì)會(huì)主席項颉就(jiù)指出，目前世界各國(guó)對(duì)氣候變暖的嚴峻性和迫切性已經(jīng)有了共識，包含中國(guó)在内的許多國(guó)家相繼出台“碳中和”目标。爲了達成(chéng)這(zhè)一目标，需要在發(fā)電、輸配電和用電等環節均采取相關的措施。這(zhè)樣(yàng)就(jiù)需要在能(néng)源和産業結構、技術和标準，以及配套的政策等諸多方面(miàn)，構建可持續發(fā)展的綠色能(néng)源發(fā)展體系。作爲光伏逆變器中的核心元器件，IGBT一定會(huì)受到這(zhè)一市場發(fā)展的直接帶動。

英飛淩相關負責人也表示，未來十年，電動化和數字化將(jiāng)成(chéng)爲産業和社會(huì)發(fā)展的重要推動力。電動化涉及發(fā)電、輸變電、儲能(néng)、用電在内的電力價值鏈各個環節，而光伏是其中的發(fā)電環節。包括IGBT在内的功率半導體在整個電力價值鏈中扮演著(zhe)重要角色。随著(zhe)電動化的推進(jìn)，未來功率半導體的市場規模將(jiāng)會(huì)不斷成(chéng)長(cháng)。

據介紹，光伏逆變器是太陽能(néng)光伏系統的核心組件，可將(jiāng)太陽能(néng)電池發(fā)出的直流電轉化爲符合電網電能(néng)質量要求的交流電，并配合一般交流供電的設備使用。光伏逆變器的性能(néng)可以影響整個光伏系統的平穩性、發(fā)電效率和使用年限。而在逆變電路中，都(dōu)需使用IGBT等具有開(kāi)關特性的半導體功率器件，控制各個功率器件輪流導通和關斷，再經(jīng)由變壓器藕合升壓或降壓，最終實現交流轉直流的轉換。

值得注意的是，逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般爲10年-15年，而光伏組件的運營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期内至少需要更換一次。這(zhè)也進(jìn)一步擴大了IGBT在光伏系統中的使用量。

項颉估算，2021年中國(guó)光伏市場對(duì)IGBT的需求約爲15億元。如果加上中國(guó)逆變器廠家出口逆變器的需求，這(zhè)一規模近40億元。随著(zhe)市場對(duì)可再生能(néng)源需求的提升，對(duì)IGBT需求也將(jiāng)持續增長(cháng)，預計到2025年，新增裝機容量加上替換裝機容量的IGBT需求將(jiāng)達百億元規模。

光伏IGBT對(duì)可靠性要求非常高

目前，車用市場與光伏系統是IGBT最大的兩(liǎng)個應用市場，也最受行業關注。IGBT技術也在貼合這(zhè)兩(liǎng)大市場的需求不斷發(fā)展。項颉表示，爲了滿足電動車電驅系統的輕量化和高功率密度，車用IGBT需要實現低功率損耗和高開(kāi)關頻率。此外，電動車的拓撲是典型的三相逆變器橋，因此，汽車電驅IGBT模塊一般采用6in1模塊封裝或者半橋模塊封裝。

相對(duì)而言，光伏電池闆的電壓具有多樣(yàng)性，因而光伏逆變器采用的拓撲結構也不相同，微型逆變器一般采用IGBT單管的分立器件方式；1000V組串光伏逆變器采用T型三電平模塊；1500V組串逆變器應用的是I型三電平模塊；1500V集中式逆變器采用了半橋模塊來配置I型三電平拓撲。也就(jiù)是說，IGBT應用在不同的光伏逆變器上時(shí)，需要根據系統配置的實際需求選用不同特性和封裝的産品。

受應用端的影響，IGBT也展現出不同的技術趨勢。首先光伏IGBT對(duì)于可靠性的要求會(huì)非常高。光伏是將(jiāng)直流電逆變到交流電，再上傳到電網。“這(zhè)種(zhǒng)線路不像工控領域，因爲擔心過(guò)載，工控領域往往對(duì)IGBT模塊降壓使用，比如模塊的額定電流爲100A，降等用于40A-50A。光伏逆變器企業基本上會(huì)把IGBT模塊性能(néng)用到極緻，所以對(duì)IGBT芯片的可靠性要求也要高于工控領域。”有相關研發(fā)人員告訴記者。

對(duì)于光伏用功率模塊技術的發(fā)展，可以從芯片設計、封裝和模塊制造等幾個方面(miàn)來展開(kāi)，确保産品的可靠性。對(duì)于芯片技術，一是對(duì)矽IGBT和二極管等進(jìn)行性能(néng)的優化和升級；二是采用SiC等新材料，其中組串逆變器對(duì)SiC二極管的需求已經(jīng)越來越廣泛。在封裝方面(miàn)，需要滿足可靠性的要求，同時(shí)也需要考慮新器件的采用，比如使得SiC器件充分發(fā)揮性能(néng)的低雜散電感封裝等。在模塊的制造方面(miàn)，需要采用嚴格的制造過(guò)程保證模塊的一緻性和可靠性，同時(shí)需要采用綠色制造工藝和環保材料等，爲可持續發(fā)展的社會(huì)做出貢獻。

另一個值得注意的趨勢是，随著(zhe)近年來分布式光伏市場的迅速增長(cháng)，將(jiāng)對(duì)IGBT單管提出更高要求。國(guó)家能(néng)源局2021年5月提出“在确保安全前提下，鼓勵有條件的戶用光伏項目配備儲能(néng)”“戶用光伏發(fā)電項目由電網企業保障并網消納”。在相關政策助力下，分布式光伏與配儲有望迎來規模化發(fā)展。分布式光伏主要采用IGBT單管解決方案。在需求的驅動下，IGBT單管有望迎來一波新的發(fā)展。

碳化矽 IGBT將(jiāng)成(chéng)爲市場的寵兒

近年來，碳化矽等寬禁帶半導體在太陽能(néng)光伏系統中也有了越來越廣泛的應用。瑞能(néng)半導體CEO Markus Mosen向(xiàng)記者指出，碳化矽功率半導體産品在能(néng)源應用中將(jiāng)成(chéng)爲市場的“寵兒”，碳化矽功率半導體憑借其低功耗、長(cháng)壽命、高頻率、體積小等技術優勢，在光伏等領域具備較強的替代潛力。

目前，SiC MOSFET和SiC二極管在光伏發(fā)電市場的應用越來越多。得益于SiC材料的低損耗且能(néng)夠有效降低光伏發(fā)電的系統成(chéng)本，SiC二極管在微型逆變器和組串逆變器上已經(jīng)得到驗證以及應用。随著(zhe)SiC晶圓成(chéng)本的降低和良品率的提升，SiC MOSFET的成(chéng)本持續降低。在可以預見的未來，SiC MOSFET的應用也將(jiāng)擴展到微型逆變器和組串逆變器當中。下一步，碳化矽器件廠商將(jiāng)會(huì)開(kāi)發(fā)适用于光伏逆變器應用的高壓SiC MOSFET，使得SiC MEOSFET的應用領域擴展到大功率組串逆變器和集中式逆變器當中。

相對(duì)而言，目前SiC IGBT受限于良品率與應用場景等問題，還(hái)沒(méi)有規模化的商業應用。對(duì)此，英飛淩負責人表示，SiC IGBT用于萬伏以上的高壓，尚處于研究階段，還(hái)未看到商業應用。項颉也表示，目前業界的共識一般是在萬伏以上才會(huì)考慮應用SiC IGBT。作爲寬禁帶器件，在1萬伏以下的應用場景中采用SiC MOSFET就(jiù)可以滿足需求了。在萬伏以下應用，SiC IGBT在性能(néng)沒(méi)有體現出優勢，因爲在此範圍内SiC IGBT的飽和壓降比SiC MOSFET的壓降更高，同時(shí)在制造工藝上，SiC IGBT更加複雜，成(chéng)本也更高。

不過(guò)相關專家也指出，我國(guó)地域遼闊，經(jīng)濟處于快速發(fā)展階段，對(duì)電力特别是光伏等清潔能(néng)源需求正在快速增長(cháng)。随著(zhe)“西電東送”等超大型電力工程的持續推進(jìn)，研究和發(fā)展特高壓交流輸變電技術是十分必要的。相信能(néng)夠勝任高功率工作場景的SiC IGBT，未來同樣(yàng)具有廣闊的發(fā)展空間。

作者丨陳炳欣

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞