解析GaN与SiC在太阳能逆变器中的应用方案

光伏发电（PV）是一种将阳光转化为电能的技术，这个过程涉及使用太阳能电池来捕获太阳能并将其转化为可用的电力；然后，使用逆变器将太阳能电池产生的电力从直流电（DC）转换为交流电（AC），这些交流电可为电气设备供电或反馈到电网供他人使用。太阳能行业在过去几十年中发展迅速，成为全球向可再生能源转变的关键参与者。

尽管太阳能行业前景光明，但依然存在诸多挑战，其中极严峻的挑战就是高昂的初始安装成本。太阳能系统包括太阳能电池板、逆变器和电池，均需要大量的前期投资，加之逆变器和电池的尺寸较大，系统安装的难度大幅增加。其次是太阳能系统的能效比较低，事实上，只有成本效益达到较高水平时，太阳能系统在实现并网发电时才更具竞争力。

随着电力电子系统追求更高的效率和密度，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带（WBG）半导体在新能源领域有了更多的应用，它们独有的特性使其能够在比传统硅基器件高得多的电压、频率和温度下运行。由此带来的好处显而易见：逆变器的体积更小、质量更轻、效率更高。更高的效率则意味着太阳能电池板的更多直流电将被转化为可用的交流电，从而更大限度地提高投资回报。

GaN、SiC和Si：该如何选择？

在电力电子行业，硅（Si）是经济高效的半导体材料，时至今日，它仍然主导着既不需要高频也不需要高压的应用，比如低成本的电源适配器、传统工业设备和基本电机驱动器等。成熟的制造工艺和熟悉的设计使硅在这些领域具有强大的统治力。

传统的硅基逆变器已经服务于太阳能行业很多年，但它们正接近其理论性能的极限。在功率转换过程中，硅基逆变器往往会产生更多的热量，因此需要更大的散热器和冷却系统，这样不仅增加了逆变器的物理尺寸和重量，还降低了整体系统的效率。随着太阳能电池板效率的不断攀升，逆变器也就成了提升光伏系统效率的瓶颈。

不过，好消息是：这一瓶颈有望随着新一代宽禁带半导体材料GaN和SiC在功率转换系统中的应用而打破。据Wise Guy Reports（WGR）的分析数据，SiC和GaN功率半导体市场在2024年的价值为76.8亿美元，并将以26.19%的强劲复合年增长率增长，预计到2032年将激增至494亿美元。

GaN、SiC和Si三种技术之间的特征差异比较明显：

GaN在速度和功率密度方面的表现较突出，它能够以更小的损耗在MHz频率下切换，这使其成为对尺寸和效率有很高要求的应用的理想选择。比如在数据中心部署的基于GaN的48V电源架构，其效率可达到96%，占用的空间则比传统解决方案少30%。因此，对于高频、中等功率的应用来说，GaN应该是更优的选择。

SiC具有极强的高压能力，这使其成为800V电动汽车动力系统的支柱，与Si相比，SiC系统效率可提高5~10%，极大地延长了车辆的续航里程。基于SiC的太阳能逆变器的效率更是高达99%。

在选择逆变器设计方案时，可从三个关键参数上入手：

一是工作电压。电压低于300V，Si已经足够了；在300V~900V之间，是GaN的领地；在900V以上，SiC占主导地位。

二是工作频率：100kHz以下，Si器件更具性价比；对于高频应用，尽量选择GaN器件。

三是成本：Si器件无疑具有极高的性价比，但对效率和性能有较高要求的一些应用，比如电动汽车、太阳能逆变器，综合考虑各方面的成本，GaN和SiC是不错的选择。

随着成本的降低，GaN和SiC的应用正在加速，并凭借突出的优势进入各类太阳能应用场景：

在住宅市场，GaN正在推动紧凑高效逆变器的发展。

对于更大的商业屋顶系统，基于SiC的串式逆变器可提供极高的鲁棒性和高效率，更高的逆变器效率有助于降低整体系统平衡（BoS）成本。

对于大型太阳能项目，SiC是主要的WBG技术，其处理高电压和功率水平的能力使其成为管理兆瓦级功率的中央逆变器的明确选择。

GaN和SiC太阳能逆变器解决方案

太阳能电池板的直流输出必须转换为标准交流电才能并入电网或为电子设备供电。能量转换过程包括两个关键阶段：一是DC/DC转换阶段，极大功率点跟踪（MPPT）算法通过动态调整电压来优化太阳能电池板的功率输出，以极大限度地提高效率；二是DC/AC转换阶段，目的是实现太阳能与电子设备或电网集成兼容。

在市场上占主流几千瓦到200kW的逆变器，直流电压为600V~1,500V。用于更高功率水平的升压转换器和逆变器的半导体开关，传统上是IGBT的天下。IGBT在管理高电压和电流方面的效率很高，它们将高速开关与低传导损耗相结合，这两者对于MPPT和DC/AC转换过程都至关重要。相比之下，Si-MOSFET由于其快速的开关速度和低栅极驱动功率要求，主要用于太阳能逆变器中的低功率应用。

SiC和GaN功率器件的引入，带来了优于传统Si基半导体的显著优势，因此相关产品和方案的开发也成为了热点。

经济高效的四电平逆变器方案

光伏逆变器通常需要非常高的转换效率，以确保在宽的光伏阵列工作范围内获得高能量产出。GaN FET技术比传统的IGBT和MOSFET具有导通和开关损耗优势。在实际应用中，太阳能逆变器的直流电压为600V~1,500V，为此，许多公司一直在努力生产出可靠的600V GaN器件，这使得制造足够大的管芯以将RDS（on）降低到可管理的稳态损耗的水平变得困难。

EPC公司提供了一种四电平逆变器方案，无论是在DC-DC升压前端转换器还是DC-AC逆变器中，都可以通过使用200V eGaN FET的四级架构来构建一个高频率、高效率的光伏逆变器。图显示了适用于光伏逆变器的四电平半桥拓扑。直流链路电容器将总线电压一分为三，每个电平的晶体管都被箝位到适当的分压。

例如，375V总线电压将被划分为125V，Q1将通过D1被箝位到第一个125V电平。假设电流从输出端流入，Q1、Q2和Q3都打开，那么Q4、Q5和Q6从漏极到源极的电压将分别为125V。

基于四电平逆变器方案，600V GaN不再是必须品，我们仅需使用200V eGaN FET即可满足设计要求。与同类MOSFET相比，EPC的eGaN FET在给定RDS（on）的较小器件中提供了更低的电容和电感以及零QRR，极大地减少了开关损耗，从而实现更高的效率和/或更高的开关频率。

EPC2215就是微逆变器或独立MPPT系统初始阶段的理想选择，同时它们也适用于电池储能系统或串式逆变器中的多级拓扑结构。这款200V、162A、8mΩ eGaN FET还利用其双面冷却封装，在高功率密度设计中极大限度地提高了散热能力。

借助四电平半桥拓扑，只用200V GaN FET即可构建高频、高效的光伏逆变器（图源：EPC）

小体积高能效太阳能逆变器方案

在太阳能和储能系统所用的逆变器中，Si基IGBT从一开始就占据了主导地位。然而，对更紧凑、更高效、更低成本功率转换的需求推动了SiC等宽禁带材料的使用。与Si相比，宽禁带材料可在更高开关频率及更高电压下工作，且具有更宽泛的工作温度范围，并可实现体积更小、更紧凑的设计，同时显著提高系统级的功率密度。

以Wolfspeed公司的650V和1200V SiC MOSFET为例，将其用于60kW光伏逆变器中，可将系统损耗降低70%，将重量减轻80%，将系统成本削减约15%。与IGBT相比，采用Wolfspeed的SiC MOSFET和SiC二极管相结合的方法，可使整体系统效率提高3%。

在逆变器升压电路部分所使用的C3M0040120K 1200V器件可在45kHz或更高的开关频率下工作（高于IGBT的16kHz），因此可以使用体积更小的电感器和电容元件，从而进一步减少逆变器的占用空间。例如，一个60kW IGBT逆变器重173kg，而基于Wolfspeed SiC的逆变器仅重33kg。

60kW太阳能逆变器和储能系统的高级功能架构（图源：Wolfspeed）

本文小结

2025年对可再生能源来说是充满挑战的一年，与2024年同期相比，2025年上半年风能和太阳能的投资下降了18%，降至近350亿美元。即便如此，高盛研究公司仍预测该行业将保持快速增长，到2030年，全球太阳能装机容量将增至914吉瓦，比2024年高出57%。另据Mordor Intelligence的市场数据，太阳能光伏占到2024年太阳能市场容量的99.6%，确认了其作为新能源市场基石的地位。

在高效太阳能逆变器的应用中，GaN和SiC等宽禁带半导体显著提高了逆变器的效率，减少了能量损失，提高了功率输出。与传统的Si基逆变器相比，GaN和SiC能够实现更高的开关频率，从而减小了无源元件的尺寸和成本。使用SiC的现代太阳能逆变器可达到99.3%的峰值效率，比Si基设计高出整整两个百分点。

展望未来，GaN和SiC在太阳能逆变器市场均有着广阔的前景。GaN在高频、低功耗应用中的集成潜力使其成为住宅太阳能系统的一个有吸引力的选择。SiC在高功率、高压环境中的优势使其非常适合大规模太阳能发电场和工业应用。不过殊途同归，它们的应用都正在重新定义效率和性能标准。

关于“在太阳能逆变器市场，未来GaN与SiC谁将胜出”的争论，目前还没有明确的赢家。每种材料都具有独特的优势，随着研发的继续和制造成本的降低，GaN和SiC可以共存，各自在太阳能逆变器市场中占据一席之地。赢家将取决于技术的进步、市场需求和可再生能源解决方案的不断发展。向GaN和SiC的过渡不仅仅是一种材料上的更新，更代表了电力电子领域技术上的根本性转变。