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SiC正在成为储能主流,相关行业即将爆发?

发布日期:2024-04-29 14:59浏览次数:300

 
在当前的储能系统中,尤其是涉及到高压、高频、高效能应用时,宽禁带半导体材料如SiC(碳化硅)正越来越受到青睐,因为这种材料相对于传统的IGBT(硅基绝缘栅双极型晶体管)具有显著优势。与此同时,也看到越来越多的龙头企业开始导入SiC技术,用来作为硅MOSFET或IGBT的替代方案。

SiC正在成为储能主流

早在去年底,国家电网等多家企业宣布,他们成功将SiC技术应用在电网电力系统中,并且实现了SiC MOSFET芯片的全国产化。同时首台基于国产SiC MOSFET芯片的低压配电网柔性调控装置现场联调成功,实际效果处于国际领先水平。而该装置的关键在于实现了国产SiC MOSFET替代进口IGBT功率芯片,并且采用这种SiC方案对配电台区供电质量的综合治理成本降低约75%。

这在于SiC MOSFET相比IGBT具有更低的导通电阻和开关损耗,这使得在相同的工作条件下,SiC器件能够实现更高的效率。在储能系统中,这意味着能量转换的损耗更小,能量利用率更高。并且SiC材料的高温工作特性优于硅材料,使得SiC器件在高温环境下的性能更加稳定。也正是由于SiC器件的高效率和高温稳定性,可以减少散热需求,从而减小散热器的尺寸,使得整个储能系统的体积和重量得以减少。

SiC MOSFET还支持更高的开关频率,这有助于减小储能系统中无源元件的体积和重量,从而实现系统的整体小型化和轻量化。更重要的是SiC材料具有更高的击穿电压,使得SiC器件在高压应用中更为可靠,适合用于高电压储能系统。显然,SiC在储能产品中相比IGBT具有显著的性能优势,尤其是在效率、高温稳定性和高频操作能力方面。甚至不止是SiC,GaN同样具备较高的禁带宽度,支持更高频率的开关操作和更低的传导损耗。尤其是在高频DC/DC转换器和小型化逆变器设计中,GaN的优势尤为突出,它能实现更小的体积和重量,这对于便携式储能设备和需要紧凑结构的设计非常有利。

不过GaN虽然在理论性能上有更高的击穿电场强度和电子迁移率,尤其适合高频、低电压、高效率的电源转换场景,但在储能领域的应用还在快速发展的阶段,尽管GaN在消费电子、数据中心电源、以及特定类型的储能系统(如轻量化、高频率的DC/AC转换)中有明显优势,但其在大规模储能系统中的普及程度尚不及SiC。而SiC在储能应用上的商业化进程确实相对较成熟一些。这是因为SiC技术经过长期的发展和市场验证,已经在许多高压和高温环境下得到了成功应用,尤其是在电动汽车、光伏逆变器以及储能系统中的功率转换模块等方面。

市场中的SiC储能解决方案

SiC在当前市场的应用其实已经非常广泛,尤其在新能源汽车以及光伏储能高速发展的今天,SiC器件通常被作为核心功率转换模块的一部分,帮助实现高效、快速的能量转换和控制,从而优化整个储能系统的性能和可靠性。比如在高效的双向DC-DC转换器、高压逆变器、快速充电站、微电网电力转换设备、大规模储能电站的功率调节设备。市场中也有不少公司推出了相关产品来应对目前的储能市场的变化,如Wolfspeed提供SiC肖特基二极管、SiC MOSFET以及功率模块,如WolfPACK系列。

英飞凌也可以提供1200V SiC MOSFET,用于电动汽车的电驱逆变器。安森美也有一系列基于SiC的产品,适用于电动汽车和工业应用中的电力转换。此外包括罗姆、ST、ABB等企业都有供应SiC相关产品。国内市场在SiC的应用上也有了不少的积累,除了上面提到的中国电科、国电南自联合研发全国产化SiC储能变流器外,近期也有不少国内企业相继发布了采用SiC的储能相关产品。比如盛弘股份推出了全球首款基于碳化硅技术的工商业模块化储能变流器PWS1-125M。

该变流器采用SiC技术,提高了功率密度和系统效率,同时减少了无源器件的体积和成本,提升了储能系统的性价比。江苏数世能源推出了搭载全球首款基于碳化硅技术的工商业模块化储能变流器的高安全固态电池储能系统。该系统结合了SiC技术和固态电池,提供了更高的安全性和更长的使用寿命,同时提升了储能系统的整体性能。而在近期,英博电气也推出了一款125kW储能变流器,采用三相四桥臂设计和SiC核心器件,在效率更加出色的同时,也确保了设备运行的稳定性和可靠性。

据测试数据显示,该模块的满载效率大于98%,且拥有更宽的直流电压范围。利星能在SiC技术领域也实现了突破性创新应用,能借助SiC的优越特性,加上自研技术和资源整合优势,将储能系统效率和热性能提升到全新高度,成功实现PCS能量转换效率≥99%,系统整体效率≥92%,助力用户效益提升约6%。许继电力在十年前就开始对基于碳化硅的IGBT、二极管和MOSFET半导体器件进行研究,研究其驱动的设计、散热的设计和故障保护等,目前50kW以下的功率模块均采用的是SiC半导体器件。不少企业也开始透露,目前将会陆续推出含有SiC的产品,计划在今年6月份前后完成SiC产品的较完整切换,并准备在2025年之前实现大规模的切换。

SiC解决方案在储能产品中展现出了明显的优势,包括更高的效率、更小的尺寸、更轻的重量、更低的成本以及更好的耐高温性能,这些都是SiC技术在储能领域受到青睐的原因。随着技术的不断进步和成本的降低,预计SiC在储能产品中的应用将会更加广泛。