SiC在光伏逆变器中的应用-电子发烧友网

引言

随着全球对能源的需求和可持续发展的日益关注，环境保护和碳中和也越来越重要，这愈发凸显绿色能源的重要性。

近年来全球光伏市场规模持续增长。根据中国光伏行业协会（CPIA）发布的《2024-2025年中国光伏产业发展路线图》。

▲全球光伏新增装机预测（GW）

可以看到，从2020年的130GW到2024年530GW，近5年全球光伏新增装机量实现了年复合约42%的高速爆发扩张式增长，全球光伏市场如火如荼。到2030年，乐观估计，将从2024年的530GW继续增长到1078GW，这意味着未来六年全球光伏装机将会有年复合约13%的快速增长，而即便保守估计，增长到881GW，也将会有年复合约9%的稳步增长。光伏市场依旧将持续蓬勃稳定发展。

逆变器作为绿色能源转换中的核心设备，在新能源领域中的重要性日益凸显，其具有提高电能质量，支撑电网稳定性，快速响应提升能效等重要作用。它的高效可靠性直接关系到电力转换的能效和稳定。

光伏逆变器现状和趋势

根据不同功率和应用场合，光伏逆变器可分为集中式逆变器、组串式逆变器、集散式逆变器以及微型逆变器。根据中国光伏行业协会（CPIA）发布的报告显示，中国光伏逆变器市场主要以集中式和组串式逆变器为主，其他类型占比较小，这其中尤以组串式逆变器为主，其市场份额从2018年的60.4%增长至2023年的80%，进一步确立了组串式逆变器的市场主流地位。预计未来依旧是组串式逆变器为主。

▲中国不同类型逆变器市场占比趋势 - 来源于CPIA

对于逆变器，成本是产品的一大关键要素。逆变器的成本主要分为四大块，首先是机构件占到约1/3，其次电感和电容占到约1/3，功率半导体器件约占到1/6，剩余1/6则是集成电路、控制组件、PCB等。详细成本构成可参考下图：

▲光伏逆变器成本构成

随着逆变器技术的不断发展，组串逆变器的单台最大功率已然达到360kW左右，对于愈发大功率的逆变器产品，高效率高功率密度高可靠性也变得愈发重要。而作为功率器件的SiC有着比IGBT更出色的性能，更低的开关损耗和导通损耗，可以工作在更高的开关频率，也更适合更高功率的应用场合。

▲SiC适合功率及频率段应用

高开关频率意味着可以更好的优化磁性元器件的性能和体积，这对于逆变器发展的高效率、高功率密度以及高可靠性要求有着天然的优势，并且高效率高功率密度也意味着更低的损耗更少的散热和更紧凑的走线设计，结合SiC的高开关频率带来的磁性元器件体积成本的缩减，可以进一步降低整体的光伏系统成本。目前SiC的成本还是高于IGBT，但随着半导体工艺的发展和产能的释放，SiC的高性能带来的系统成本优势会越来越明显，也有助于光伏更高的系统集成度要求，并有望进一步促进推动整体光伏市场的革新和发展。

SiC在光伏逆变器中的应用

当前市场，越来越多的客户在DCDC侧开始导入SiC并实现了产品的量产，这显著提升了MPPT侧的性能，缩减了Boost电感的体积，提升了前端的功率密度，并降低了一定的系统成本。而在DCAC侧，SiC又会有怎样的性能表现呢？为此ST专门开发了一款组串式50kW SiC DCAC逆变器，旨在探索下一代高效逆变器的发展。

ST 50kW SiC逆变器

ST 50kW逆变器采用了ST最新的第三代半导体技术的SiC模块A2U8M12W3-FC和高性能MCU STM32H743，以及STGAP2系列驱动芯片和L6565、TSV914等半导体器件。

▲50kW SiC DCAC逆变器框图

如图所示，是50kW SiC逆变器控制框图，基于T型三电平拓扑，采用STM32H743，结合STGAP2驱动芯片来实现对SiC模块A2U8M12W3以及整体系统的性能控制和保护。其峰值效率在额定800Vdc输入的情况下，可达98.89%，650Vdc输入下更是高达99.1%，相比于IGBT逆变器的峰值效率点，显著提升了0.5%左右，更好的实现了光伏逆变器的高效高性能。开关频率也从IGBT主流的20k提升到40kHz，进一步减少了LCL滤波器的感量体积以及BUS电容的容量，功率密度高达75W/in^3，实现了高频、高效、高功率密度和高可靠性的发展要求。