引言

隨著全球?qū)δ茉吹男枨蠛涂沙掷m(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，環(huán)境保護(hù)和碳中和也越來(lái)越重要，這愈發(fā)凸顯綠色能源的重要性。

近年來(lái)全球光伏市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）發(fā)布的《2024-2025年中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》。

▲全球光伏新增裝機(jī)預(yù)測(cè)（GW）

可以看到，從2020年的130GW到2024年530GW，近5年全球光伏新增裝機(jī)量實(shí)現(xiàn)了年復(fù)合約42%的高速爆發(fā)擴(kuò)張式增長(zhǎng)，全球光伏市場(chǎng)如火如荼。到2030年，樂(lè)觀估計(jì)，將從2024年的530GW繼續(xù)增長(zhǎng)到1078GW，這意味著未來(lái)六年全球光伏裝機(jī)將會(huì)有年復(fù)合約13%的快速增長(zhǎng)，而即便保守估計(jì)，增長(zhǎng)到881GW，也將會(huì)有年復(fù)合約9%的穩(wěn)步增長(zhǎng)。光伏市場(chǎng)依舊將持續(xù)蓬勃穩(wěn)定發(fā)展。

逆變器作為綠色能源轉(zhuǎn)換中的核心設(shè)備，在新能源領(lǐng)域中的重要性日益凸顯，其具有提高電能質(zhì)量，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性，快速響應(yīng)提升能效等重要作用。它的高效可靠性直接關(guān)系到電力轉(zhuǎn)換的能效和穩(wěn)定。

光伏逆變器現(xiàn)狀和趨勢(shì)

根據(jù)不同功率和應(yīng)用場(chǎng)合，光伏逆變器可分為集中式逆變器、組串式逆變器、集散式逆變器以及微型逆變器。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）發(fā)布的報(bào)告顯示，中國(guó)光伏逆變器市場(chǎng)主要以集中式和組串式逆變器為主，其他類(lèi)型占比較小，這其中尤以組串式逆變器為主，其市場(chǎng)份額從2018年的60.4%增長(zhǎng)至2023年的80%，進(jìn)一步確立了組串式逆變器的市場(chǎng)主流地位。預(yù)計(jì)未來(lái)依舊是組串式逆變器為主。

▲中國(guó)不同類(lèi)型逆變器市場(chǎng)占比趨勢(shì) - 來(lái)源于CPIA

對(duì)于逆變器，成本是產(chǎn)品的一大關(guān)鍵要素。逆變器的成本主要分為四大塊，首先是機(jī)構(gòu)件占到約1/3，其次電感和電容占到約1/3，功率半導(dǎo)體器件約占到1/6，剩余1/6則是集成電路、控制組件、PCB等。詳細(xì)成本構(gòu)成可參考下圖：

▲光伏逆變器成本構(gòu)成

隨著逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，組串逆變器的單臺(tái)最大功率已然達(dá)到360kW左右，對(duì)于愈發(fā)大功率的逆變器產(chǎn)品，高效率高功率密度高可靠性也變得愈發(fā)重要。而作為功率器件的SiC有著比IGBT更出色的性能，更低的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，可以工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率，也更適合更高功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

▲SiC適合功率及頻率段應(yīng)用

高開(kāi)關(guān)頻率意味著可以更好的優(yōu)化磁性元器件的性能和體積，這對(duì)于逆變器發(fā)展的高效率、高功率密度以及高可靠性要求有著天然的優(yōu)勢(shì)，并且高效率高功率密度也意味著更低的損耗更少的散熱和更緊湊的走線設(shè)計(jì)，結(jié)合SiC的高開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的磁性元器件體積成本的縮減，可以進(jìn)一步降低整體的光伏系統(tǒng)成本。目前SiC的成本還是高于IGBT，但隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展和產(chǎn)能的釋放，SiC的高性能帶來(lái)的系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯，也有助于光伏更高的系統(tǒng)集成度要求，并有望進(jìn)一步促進(jìn)推動(dòng)整體光伏市場(chǎng)的革新和發(fā)展。

SiC在光伏逆變器中的應(yīng)用

當(dāng)前市場(chǎng)，越來(lái)越多的客戶在DCDC側(cè)開(kāi)始導(dǎo)入SiC并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的量產(chǎn)，這顯著提升了MPPT側(cè)的性能，縮減了Boost電感的體積，提升了前端的功率密度，并降低了一定的系統(tǒng)成本。而在DCAC側(cè)，SiC又會(huì)有怎樣的性能表現(xiàn)呢？為此ST專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一款組串式50kW SiC DCAC逆變器，旨在探索下一代高效逆變器的發(fā)展。

ST 50kW SiC逆變器

ST 50kW逆變器采用了ST最新的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的SiC模塊A2U8M12W3-FC和高性能MCU STM32H743，以及STGAP2系列驅(qū)動(dòng)芯片和L6565、TSV914等半導(dǎo)體器件。

▲50kW SiC DCAC逆變器框圖

如圖所示，是50kW SiC逆變器控制框圖，基于T型三電平拓?fù)洌捎肧TM32H743，結(jié)合STGAP2驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC模塊A2U8M12W3以及整體系統(tǒng)的性能控制和保護(hù)。其峰值效率在額定800Vdc輸入的情況下，可達(dá)98.89%，650Vdc輸入下更是高達(dá)99.1%，相比于IGBT逆變器的峰值效率點(diǎn)，顯著提升了0.5%左右，更好的實(shí)現(xiàn)了光伏逆變器的高效高性能。開(kāi)關(guān)頻率也從IGBT主流的20k提升到40kHz，進(jìn)一步減少了LCL濾波器的感量體積以及BUS電容的容量，功率密度高達(dá)75W/in^3，實(shí)現(xiàn)了高頻、高效、高功率密度和高可靠性的發(fā)展要求。

▲50kW SiC DCAC逆變器綜合優(yōu)勢(shì)

我們還詳細(xì)測(cè)試了該款逆變器的效率、PF、ITHD等性能以及過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，漏電流保護(hù)，防孤島效應(yīng)等保護(hù)功能。如下是該款逆變器在ST實(shí)驗(yàn)室開(kāi)機(jī)的實(shí)錄視頻。