2035年中国能源目标下的全球风光储市场趋势、电力电子发展及碳化硅MOSFET技术支撑深度分析

2035年中国能源目标下的全球风光储市场趋势、电力电子发展及碳化硅MOSFET技术支撑深度分析

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！

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I. 执行摘要：战略目标与碳化硅技术的融合

中国为应对气候变化和推动经济社会绿色低碳转型，设定了雄心勃勃的2035年国家自主贡献目标。核心战略包括：到2035年，全国经济范围的温室气体净排放量比峰值下降7%∼10%，力争实现更优表现；非化石能源消费占能源消费总量的比重达到$30%$以上；风电和太阳能发电总装机容量达到2020年的6倍以上，并力争达到3.6万亿瓦 (TW) 的巨大规模 。

实现这一史无前例的清洁能源部署目标，对电力电子技术提出了极高的要求，传统硅基（Si）绝缘栅双极晶体管（IGBT）技术已无法满足。碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术因其固有优势，成为新型电力系统建设和风光储市场爆发式增长的核心技术支撑。

系统级分析表明，SiC技术的应用能够带来直接、可量化的经济和性能优势。例如，在125kW工商业储能变流器（PCS）解决方案中，采用SiC MOSFET相较于IGBT方案，平均效率提升超过1%，模块功率密度整体提升超过25% 。这种密度和效率的提升，是支撑3.6 TW级基础设施建设所必需的，因为它直接降低了系统初始成本（约 5%），并缩短了投资回报周期（2至4个月） 。

SiC器件的价值不仅体现在基本的开关速度上，更体现在其先进的系统级特性，包括利用氮化硅（Si3​N4​）基板实现的高可靠性封装、优异的热性能，以及独特的动态特性，例如在高温下开关损耗反而下降的负导通能量（Eon​）温度系数 。这些特性保障了设备在严苛环境和高频重载下的稳定运行和出流能力，是实现国家能源战略目标不可或缺的关键。

II. 中国2035年国家能源与气候路线图

A. 政策指令：解读温室气体减排与非化石能源占比目标

中国提出的2035年新一轮国家自主贡献目标，标志着国家气候战略迈向更系统、更全面的低碳韧性发展新征程 。这些目标为未来十年的能源和产业转型设定了明确的框架：

温室气体（GHG）净排放量：比峰值下降7%∼10%，并争取取得更好成果 。

非化石能源消费占比：占能源消费总量的比重达到30%以上 。

可再生能源装机容量：风电和太阳能发电总装机容量达到2020年的6倍以上，目标是达到3.6 TW 。

这些定量目标不仅是环境承诺，更是一份推动经济社会进行系统性绿色低碳变革的行动纲领 。要实现非化石能源占比超 30%，核心路径在于大规模、高比例地开发和消纳风能与太阳能。

B. 可再生能源规模化：3.6万亿瓦目标的挑战与机遇

风光装机容量力争达到3.6 TW的要求，意味着未来每年需要持续、大量的装机，对电力供应链的各个环节都构成了巨大挑战，特别是对电力电子设备提出了苛刻的性能和成本要求。

这种超大规模的部署对技术选择具有决定性的影响。由于必须最大限度地减少占地和物流成本，新型PCS和光伏逆变器（PVI）设备必须实现极高的功率密度。要达到25%以上的功率密度提升 ，系统设计必须提高开关频率（f_{sw}）。只有碳化硅等宽禁带（WBG）半导体器件才能支持32kHz到40 kHz甚至更高的开关频率，这是硅基IGBT模块无法达成的。因此，3.6 TW的宏观政策目标直接决定了微观层面的器件必须采用SiC技术。

C. 新型电力系统与“源网荷储”一体化

大规模可再生能源的快速渗透，要求电力系统从传统的“源随荷动”模式，转向强调灵活性、安全性和效率的“源网荷储一体化”和“多能互补”发展 。 能源存储系统（ESS）是实现这一系统性变革的关键环节。国际能源机构（IEA）和世界银行的报告均指出，储能是有效整合可变可再生能源（VRE）和解锁电网韧性的关键工具 。在中国，风光项目与储能一体化发展已成为必然趋势 。

随着VRE占比的提高和强制配置储能的要求，电力电子转换设备（PCS/PVI）面临更高的电网应力和更复杂的运行环境（如电网故障、浪涌电流）。因此，器件不仅要高效率，还必须在非理想、高压力的条件下具有卓越的鲁棒性。例如，当电网发生故障或断开时，PCS系统在断路器完全切断前，可能通过器件的反向二极管进行非控整流，产生浪涌电流，这要求器件的体二极管性能必须可靠且耐受能力强，这也是先进SiC二极管设计（如集成SiC SBD）必须解决的核心问题。

III. 2035年全球风、光、储市场动态

A. 全球光伏制造产能过剩与对PCS的成本压力传导

全球光伏市场的增长速度令人瞩目。到2024年，全球太阳能光伏装机容量已突破2 TW 。同时，全球光伏制造产能预计在2024年将达到近1000 GW，远超国际能源署（IEA）预测的2030年650 GW年度需求，这预示着严重的产能过剩 。

光伏组件价格的历史性低位，使得系统集成商必须对系统平衡（BOS）的其他组件施加巨大的成本压力。PCS作为BOS的核心组成部分，被要求必须更便宜、更小、更高效。这种成本压力反而加速了SiC技术的采用，因为只有SiC才能提供所需的25%+功率密度提升 ，从而减少散热器、机柜等昂贵辅助部件的尺寸和材料用量，最终实现系统级成本的降低和投资回报期的缩短（2-4个月） 。

B. 新兴市场需求与储能系统的关键性增长

全球可再生能源新增装机量预计将在2024年至2030年间激增超过5500 GW 。中国将贡献全球可再生能源新增装机量的近 60% 。这一事实意味着中国的国内技术需求和标准（受2035年目标驱动）将成为全球PVI和PCS设备的技术趋势和性能标准的风向标。

此外，到2035年，发展中经济体预计将占全球能源生产和消费总增长的80% 。这些地区电网基础设施普遍较弱，对电网韧性的需求巨大，能源存储系统（ESS）的安装在全球范围内正在急剧增加，被视为实现电网现代化和VRE集成的基本工具 。

C. 市场融合：PVI/PCS解决方案的演进

随着光伏和储能的紧密结合，市场正从单一用途的光伏逆变器转向结合了PVI和储能功能的双向PCS或专用高功率ESS转换系统。这些系统要求器件能够在高直流母线电压（例如，仿真中使用的900 VDC ）下进行双向潮流控制，并要求在所有象限中都具有出色的性能。

SiC MOSFET凭借其超低的导通电阻（RDS(on)​）、快速的开关特性以及体二极管几乎零反向恢复电荷（Qrr​）的优势 ，成为满足这种高压、高频、双向应用要求的理想选择。

IV. 用于电网集成和储能的电力转换系统发展趋势

A. 系统级驱动因素：效率、功率密度与高频化

新型电力系统要求PCS在整个生命周期内将能量损耗降至最低。SiC技术使得系统效率可以达到极高水平（例如，在125kW整流工况下仿真效率可达99.04%） 。

SiC器件实现的高开关频率（例如，在125kW PCS仿真中采用32 kHz到40 kHz ），是实现功率密度提升的关键。开关频率的提高使磁性元件（电感、变压器）和电容器的体积可以大幅度减小，直接实现系统体积的缩小，从而达成$25%$以上的功率密度增益目标 。

B. 拓扑结构演变：从IGBT三电平到SiC半桥两电平

传统中大功率（如125kW）工商业PCS方案常采用T型三电平（3L NPC2）拓扑，使用IGBT或混合器件方案 。虽然三电平有助于电压应力分配，但系统复杂度较高。

随着SiC MOSFET技术的成熟，市场正在转向更简洁高效的拓扑。SiC器件卓越的耐压能力（1200VDSS​ ）和高速开关特性，使得在900 VDC等高直流母线电压下，采用半桥两电平（2L）拓扑也能实现甚至超越传统IGBT方案的效率和密度。

C. 125kW工商业PCS应用案例分析：性能量化优势

碳化硅版本工商业模块化PCS，为SiC替代IGBT提供了明确的量化证据 。

Table 4: System-Level Benefits: SiC PCS vs. IGBT PCS (125kW Class)

指标	IGBT 方案（基准）	SiC MOSFET 方案	提升比例	来源
额定功率平均效率	基准	基准 + >1%	>1%
模块功率密度	基准	基准 + >25%	>25%
系统体积（L x W x H, mm）	780×220×485	680×220×520	体积优化/减小
系统初始成本降低	N/A	≈5% (1MW/2MWh系统)	≈5%
投资回报期缩短	N/A	2∼4 个月	N/A

这些数据表明，SiC技术的采用体积的优化和密度的提升直接降低了系统平衡（BOS）成本，加速了投资回报，为大规模可再生能源项目提供了经济驱动力。

D. 散热与体积限制对宽禁带材料的需求

热管理是限制电力电子系统体积的瓶颈之一。SiC MOSFET凭借其较高的最高结温（Tj,max​=175∘C ）以及较低的损耗，简化了冷却系统的设计。同时，为了最大限度地发挥SiC芯片的性能，功率模块必须具备极低的结到壳的热阻（ Rth(j−c)​）。例如，BMF240R12E2G3模块的典型结到壳热阻仅为0.09K/W 。

这种对超低热阻的追求，意味着技术瓶颈已从半导体材料本身转向了封装和互连技术。通过采用银烧结技术改进Rth(j−c)​ 和先进的陶瓷基板，确保在极高电流密度下仍能有效散热，从而保障大电流输出能力。

V. 碳化硅MOSFET及其模块：基础技术支撑

A. 碳化硅在电力电子中的固有优势

碳化硅材料具有优越的电学特性，如更高的临界电场强度、热导率和饱和电子漂移速率。这使得SiC MOSFET能够实现1200 V高耐压等级下超低的导通电阻（RDS(on)​）和更高的最高工作结温（175∘C），从而在功率密度、效率和可靠性方面全面超越硅基器件 。

B. 先进模块封装与可靠性：氮化硅基板与低寄生电感设计

在高性能功率模块中，封装技术对整体性能至关重要。

氮化硅（Si3​N4​）基板：在陶瓷基板的选择中，氮化铝（AlN）具有最好的热导率，但其抗弯强度较差；而Si3​N4​虽然导热性略低于AlN，但具有卓越的机械强度（抗弯强度高达700N/mm2）和功率循环能力 。

Si3​N4​基板在经过1000次温度冲击试验后仍能保持良好的结合强度，远优于Al2​O3​或AlN在10次冲击后可能出现的铜箔与陶瓷分层现象 。因此，

Si3​N4​成为SiC MOSFET模块封装的首选，以提高产品的长期运行可靠性。

低寄生电感设计：为了最大限度地利用SiC的快速开关特性，模块封装必须将寄生电感降至最低（例如，Pcore E2B模块的杂散电感Lp​≤8nH ）。低电感设计对于在高 dv/dt开关过程中抑制电压尖峰（VDS_peak​）至关重要，从而确保可靠性。

C. SiC元件布局：从分立器件到高电流模块

Table 2: Comparative Overview of Key 1200V SiC Power Modules for PCS Applications

型号	封装	ID​ (A, TC​/TH​)	RDS(on),typ​ (mΩ)	Rth(j−c)​ (K/W)	关键特点	来源
BMF240R12E2G3	Pcore 2 E2B	240 (80°C)	5.5	0.09	集成SiC SBD, Si3​N4​ 基板
BMF360R12KA3	62mm 半桥	360 (90°C)	3.7	0.11	高功率密度, 铜基板
BMF540R12KA3	62mm 半桥	540 (90°C)	2.5	0.07	最高额定电流, 超低热阻
BMF160R12RA3	34mm 半桥	160 (75°C)	7.5	0.29 (每开关)	紧凑34mm封装
B3M013C120Z	TO-247-4	180 (25°C)	13.5	0.20	分立器件, Kelvin源极

高功率PCS应用主要依赖于大电流功率模块。模块设计通过内部芯片并联实现电流密度的显著提升和$R_{DS(on)}$的持续降低（例如，62mm封装的BMF540R12KA3芯片R_{DS(on), typ}可达2.5 text{ m}Omega$）。同时，极低的 Rth(j−c)​（最低0.07K/W）表明封装技术正着力于最大限度地减少芯片到散热器的热阻，以匹配芯片的低导通损耗。

在器件选择上，设计者也注重操作的鲁棒性。例如，BMF240R12E2G3模块将栅极阈值电压（VGS(th)​）典型值提高到4.0 V ，这是有意为之的设计，旨在提高器件在高 dv/dt快速开关环境中对误导通的免疫力，避免由于米勒效应引起的灾难性直通。

VI. 碳化硅MOSFET在PCS中的先进动态性能分析

碳化硅MOSFET的先进动态性能，特别是其与温度相关的开关损耗特性和体二极管性能，是其超越IGBT，成为PCS核心器件的根本原因。

A. 开关损耗机制与$E_{on}$的主导地位

在PCS等硬开关拓扑中，SiC MOSFET的总损耗由导通损耗和开关损耗共同构成。在125kW整流工况（32kHz,65∘C）的仿真中，总损耗199.9 W中，导通损耗为99.4 W，开关损耗为100.4 W ，显示出开关损耗占据重要地位。进一步分析表明，SiC MOSFET的总开关损耗（ Etotal​）中，导通能量（Eon​）通常占到60%∼80%，是主要的损耗来源 。

B. 负$E_{on}$温度系数：高温重载下的独特优势

BMF240R12E2G3模块展示了一个独特的、对系统设计极具价值的动态特性：开关损耗（Eon​）随着温度的升高反而下降。

Table 3: Comparative Thermal and Loss Performance of BMF240R12E2G3 (Rectifier Mode, 125kW)

fsw​ (kHz)	Th​ (°C)	导通损耗 (W)	开关损耗 (W)	总损耗 (W)	效率 (%)	最高 Tj​ (°C)	观察
32	65	99.4	100.4	199.9	99.04	106.9	基线，损耗均衡。
32	70	101.2	99.6	200.8	99.03	112.1	Eoff​ 降低抵消 Pcond​ 增加。
40	70	102.8	123.9	226.7	98.91	117.5	最高 fsw​，保持充分 Tj​ 裕度。
32	80	112.7	84.0	196.7	99.05	122.3	高温下开关损耗显著降低。

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如上表所示，在32 kHz开关频率下，当散热器温度从65∘C上升到80∘C时，导通损耗因电阻的正温度系数而增加（99.4 W升至112.7 W），但开关损耗却明显下降（100.4 W降至84.0 W）。由于E_{on}在总开关损耗中占比较高，这种**负温度特性**使得总损耗变化不明显，甚至在80^{circ}C时总损耗（196.7 W）略低于65∘C时的总损耗（199.9 W）。

这一特性与许多竞争对手SiC器件所呈现的正温度特性形成鲜明对比 。负E_{on}温度系数的直接好处是器件在高温重载条件下出流能力更强 ，热稳定性更高，这对部署在非温控户外环境的ESS系统尤其有价值。设计人员可以利用这一特性，通过略微提升结温来优化开关频率，从而最大限度地缩小无源器件的体积，降低系统成本。

C. 增强型二极管性能：集成SiC SBD用于零反向恢复与浪涌抑制

BMF240R12E2G3等先进SiC模块通过在MOSFET单元中嵌入SiC肖特基势垒二极管（SBD）来显著提升性能 。

零反向恢复：SiC SBD的运行特性消除了体二极管的反向恢复电荷（Qrr​）和反向恢复能量（Err​） ，这是SiC相对于IGBT的一大效率优势。

低VSD​：集成SBD显著降低了源极到漏极的二极管正向导通电压（VSD​）。BMF240R12E2G3在25∘C、200A下的V_{SD}仅约为1.9 V，而一些竞争产品在相同条件下可能高达$4.8 V sim 5.4 V$。

电网浪涌穿越能力：极低的$V_{SD}意味着在电网异常波动导致PCS进行非控整流的危险工况下（浪涌电流I_{SD}$通过二极管涌入直流母线），器件的导通损耗极低 。这极大地增强了SiC MOSFET抵御电网浪涌电流的能力，从而提升了整机的系统可靠性。

VII. 碳化硅功率级的系统设计与集成挑战

成功应用SiC技术不仅仅是替换芯片，更需要配套的门极驱动和热管理系统的全面升级。

A. 门极驱动要求：快速开关、双极性电压和高电流

SiC MOSFET需要精确的双极性门极驱动电压，通常推荐为+18 V（导通）和-4$V（关断） 。正向高电压确保极低的

RDS(on)​，而负偏压则保障器件在关断状态的鲁棒性。

由于SiC的快速开关特性和较低的栅极总电荷（QG​），需要专用的隔离驱动芯片，如BTD5350MCWR系列，具备高隔离电压（5000Vrms​）和高瞬态峰值电流能力（±10A） 。这些驱动IC需要多路隔离电源（例如+18 V/-4 V）供电，通常通过专用的正激DCDC电源芯片（如BTP1521F）和高隔离变压器（如TR-P15DS23-EE13）实现 。

B. 米勒钳位功能：防止误导通的关键技术

SiC MOSFET极高的开关速度（ON-dv/dt可达>20000 V/u s ）会产生强大的米勒电流（ Igd​）通过栅漏寄生电容（Cgd​） 。这种米勒电流注入会抬高桥臂对管的栅极电压，可能使其超过阈值电压（ VGS(th)​），引发误导通和直通故障。

解决这一问题的关键技术是**米勒钳位（Miller Clamp）**功能。高性能SiC驱动芯片（如BTD5350M系列）内置米勒钳位功能，当栅极电压降至预设阈值（通常为2 V）以下时，驱动器会通过低阻抗通路将米勒电流分流到负电源轨 。实验测试证实，该功能可将误导通尖峰电压从 7.3 V有效钳位至2 V ，是确保SiC模块在硬开关拓扑中可靠运行的强制要求。

C. 系统级热管理策略

尽管SiC芯片的R_{DS(on)}和R_{th(j-c)}（如0.07K/W ）已非常低，但系统层面的热管理必须跟进。需要使用高性能的导热界面材料（TIM）和高效的冷却系统，以确保低热阻优势不会被壳到散热器的热阻（ Rth(c−h)​）抵消。

D. 寄生电感与电磁兼容性（EMI/EMC）挑战

SiC的快速开关特性对杂散电感极为敏感。任何超过模块自身极低电感（≤8nH）的额外寄生电感都会限制开关速度并引起电压尖峰。

此外，高dv/dt和di/dt速率极大地增加了EMI/EMC设计的难度。系统工程师必须采用精密的PCB布局、集成无源滤波以及针对噪声免疫性设计的专用ASIC门极驱动电路，才能确保系统符合EMC标准并稳定运行。在高功率模块中（如BMF240R12E2G3），内部芯片并联结构通常引出多组信号引脚，需要驱动电路具备高电流容量和同步一致性，以精确控制每路栅极，确保均流，这对门极驱动设计提出了更高的要求 。

VIII. 战略结论与建议

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。
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A. 碳化硅技术对中国2035年基础设施的战略支撑

分析表明，碳化硅技术是实现中国2035年3.6 TW风光装机目标和GHG减排承诺的战略性先决条件。SiC MOSFET及其模块所提供的超过1%的效率提升、超过25%的功率密度增长，以及由此带来的5%$系统初始成本降低，使SiC成为新型电力系统和储能系统建设不可逆转的选择。

B 关键组件选择与未来技术发展方向

高密度模块化：未来的战略重点必须放在大电流、超低热阻的SiC功率模块上（如540A/2.5mΩ的62mm模块），并持续投入于Si3​N4​陶瓷基板等高可靠性封装材料的供应链。

利用动态特性：设计者应充分利用SiC器件的独特动态特性，例如负$E_{on}$温度系数，以优化散热系统，允许在更高的开关频率和工作结温下运行，从而进一步缩小无源组件体积，实现最大的功率输出。

驱动系统标准化：必须将具备米勒钳位功能的SiC专用隔离栅极驱动芯片（ASIC）视为标准配置，以有效管理SiC快速开关特性所带来的误导通风险，保障系统的运行可靠性。

应对高压挑战：随着电网直流母线电压趋向1500 V，对1700 V级高电流SiC模块的需求将成为下一个技术前沿。同时，必须继续优化集成SiC SBD设计，以保证在电网故障和浪涌电流下的鲁棒性，从而支持未来电网高比例VRE并网的稳定性要求。

审核编辑 黄宇