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光储系统高压化升级,2000V SiC MOSFET开始走进市场

发布日期:2024-05-09 14:12浏览次数:357

 
功率SiC器件目前最大的应用市场是电动汽车。在汽车应用中,电动汽车的母线电压普遍在400V左右,因此在主驱等部件中只需要用到750V耐压的SiC MOSFET。近年来为了提升续航里程以及对电机输出功率的高要求,各大汽车厂商开始推进800V高压平台上车,在800V平台上就需要用到1200V耐压的SiC MOSFET。


但在电动汽车之外,工业电源、光伏逆变器等应用市场也不容忽视,而这些领域的系统母线电压更高,因此如果要用
SiC器件来提高系统效率,就需要有更高额定电压值的SiC MOSFET产品。

光储系统从1500V到2000V

光伏和储能逆变器的主要发展方向,包括高效率、高功率密度、低系统成本。而要满足这些要求,SiC是必不可少的核心元器件之一。根据瑞能半导体的数据,以DC-DC应用为例,IGBT+硅FRD在两电平的Boost拓扑电路中效率为96%,IGBT+碳化硅SBD的方案保持相同的工作频率,效率可以提升至98.6%。如果将硅IGBT也替换成SiC MOSFET,采用全碳化硅方案,那么效率能够继续提升0.6%到0.7%,达到99%以上。

而近年来,光伏储能行业中,为了降低系统成本,行业在提高功率密度、长串化、系统端升压等几个部分来探索降本的空间。其中长串化,就是增加光伏组串中串接的数量,提高单串功率。在光伏发电系统中,为了减少光伏电池阵列与逆变器之间的线缆连接,一般是以组串的方式构建光伏阵列,再将这些光伏阵列并联进行汇流,再输出给逆变器并入电网。而单串电功率的提升,通过提升电压而实现,这对系统中的逆变器等部分的元器件的耐压值带来了新的要求。

从光储系统的发展来看,系统电压呈现持续升高的态势,从600V到1000V,再到目前常见的1500V,光储系统基本已经实现了从1000V到1500V的切换。这种变化,带来的是降低整体系统成本,储能系统初始投资成本可以降低10%以上。从2023年开始,光伏逆变器以及光储系统,开始迈向2000V。

先是去年7月,阳光电源的2000V高压逆变器投入到陕西孟家湾光伏项目中使用,这是2000V光伏系统在全球范围内的第一次并网验证。据介绍,得益于系统电压的提升,降低系统损耗的同时,逆变器、汇流箱、箱变等设备功率密度提升,基础建设、设备运输及后期维护等成本减少,同时由于串联的组件数量增加,直流线缆用量、汇流箱数量、支架用钢量等减少,综合下来,单瓦BOS成本可降低2分钱以上。今年3月,阳光电源发布了光储2000V高压系统技术。

相比1500V系统,2000V系统下单组串的电池板数量可从26个增加至36个,CAPEX(初始投资)可节省4分/W,OPEX(全生命周期运维成本)可节省12.5分/W,整体系统效率提升0.5%~1%,以此可得出光伏项目全生命周期投资将可节省165亿元/100GW。在2000V的光伏系统中,上下游产业链也在持续推动相关零部件的落地。今年3月,晶科能源Tiger Neo系列光伏产品通过了UL认证,被认可能承受2000V系统电压,成为全球首家获得UL 2000V认证证书的企业。在1500V 以及2000V的光伏储能系统中,都能够应用到2000V的SiC MOSFET,近期也有不少厂商面向光伏逆变器、储能系统等应用,推出了2000V的SiC MOSFET产品。

多家厂商推出2000V SiC MOSFET产品

随着光伏储能的技术迭代需求,功率器件厂商也看到了市场机会,陆续推出2000V的SiC MOSFET产品。英飞凌今年1月推出了多款型号为IMYH200R的2000V SiC MOSFET新品,规格为12mΩ、24mΩ、50mΩ、75mΩ、100mΩ,采用TO-247PLUS-4-HCC封装,在严苛的高压和开关频率条件下,也能够在保证系统可靠性的情况下提供更高的功率密度,在组串式逆变器、光伏储能、充电桩等系统中实现更高效率,适用于最高1500 VDC的高直流电压母线系统。英飞凌表示,这是市场上首款阻断电压高达2000V的分立式 SiC MOSFET器件。与1700V SiC MOSFET相比,2000V SiC MOSFET器件还能为1500 VDC系统的过压提供更高的裕量。

以IMYH200R012M1H为例,工作温度支持-55℃-178℃,在25摄氏度环境下最大支持电流为123A、总功率损耗最大为552W。另外导通电阻为12mΩ,开关损耗极低。国内厂商方面,泰科天润在去年的慕尼黑上海电子展上展出了2000V系列的SiC MOSFET单管产品,适用于1500V光伏系统,但未有详细的参数公布。

基本半导体在去年10月发布了第二代SiC MOSFET平台,并表示将推出2000V 24mΩ规格的SiC MOSFET系列产品,并开发了2000V 40A规格的SiC SBD进行配套使用,不过目前还未有相关器件的详细信息公布。在光伏储能市场的发展下,继英飞凌之后,相信很快会有更多的2000V SiC MOSFET产品进入市场,推动SiC器件加速进入光伏储能高压系统中。

从整体市场来看,IGBT所具备的成本优势,依然是很多光伏储能应用中的首选。但SiC功率器件在性能上的优势,能够帮助提高系统能源利用效率,同时伴随行业技术升级,SiC在光伏、储能领域的应用潜力巨大。可以预见,随着SiC整体成本的持续下降,2000V SiC MOSFET也将会在未来更多地应用到光伏储能系统中。