為應(yīng)對氣候變化、解決環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾，我國提出碳達(dá)峰、碳中和“3060”的目標(biāo)。“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)為各行各業(yè)注入了新的活力，不斷改變著行業(yè)的競爭格局，也催生了新能源汽車、光伏、風(fēng)電、儲能等一批新型產(chǎn)業(yè)的興起。
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源汽車?yán)塾?jì)銷量從2012年底的2萬輛，大幅攀升到今年5月底的1108萬輛。自2015年起，產(chǎn)銷量連續(xù)7年位居世界第一。在新能源發(fā)電領(lǐng)域，分析機(jī)構(gòu)Wood Mac預(yù)計(jì)至2025年全球光伏和風(fēng)電裝機(jī)量有望分別達(dá)到146GW和86GW。作為功率器件應(yīng)用的重要下游，全球新能源滲透率的快速提升有望持續(xù)帶動功率器件下游需求，全行業(yè)景氣度有望維持高位。
IGBT等功率器件作為光伏逆變器、風(fēng)電變流器及儲能變流器的核心半導(dǎo)體部件，對電流起到整流、逆變等作用，以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的交流并網(wǎng)、儲能電池的充放電等功能。因此IGBT等功率器件將充分受益于綠電及儲能的高速發(fā)展。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測算，全球風(fēng)電、光伏及儲能對IGBT的需求價(jià)值量將由2021年的86.7億元增長至2025年的182.50億元，CAGR高達(dá)20.45%。
在碳中和背景下，以光伏、風(fēng)電、儲能為代表的新能源產(chǎn)業(yè)已顯現(xiàn)出長遠(yuǎn)的發(fā)展價(jià)值，而電力轉(zhuǎn)換是新能源的核心技術(shù)，隨著碳化硅等新一代電力電子器件的出現(xiàn)，勢必會改變新能源行業(yè)的發(fā)展格局。
8月，PCIM ASIA 2022即將在上海舉辦，《變頻器世界》從本期開始，將與PCIM ASIA合作，共同打造全新的《電力電子專欄》。本期我們特邀請業(yè)內(nèi)企業(yè)、專家、工程師圍繞“面對新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新興領(lǐng)域的應(yīng)用需求，電力電子將做出哪些改變，以更好地滿足行業(yè)需求和促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展。”話題進(jìn)行廣泛參與討論。
Q1
隨著光伏補(bǔ)貼的取消，光伏產(chǎn)業(yè)降成本將成為一個(gè)重要的話題，對于功率半導(dǎo)體廠商，您認(rèn)為光伏產(chǎn)業(yè)降本增效應(yīng)該從哪些方面出發(fā)？
陳子穎
英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場總監(jiān)
海上有豐富的風(fēng)力資源，一般需要更大功率的風(fēng)電機(jī)組，這對功率半導(dǎo)體的功率密度有更高的要求。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)必須提供最大化的可用性，幫助保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以同時(shí)需要更高的可靠性和壽命。
目前風(fēng)電變流器的主流功率平臺是PrimePACK™ 3和EconoDUAL™ 3 IGBT模塊，在今年的PCIM展會上英飛凌將展出采用IGBT5.xt互聯(lián)技術(shù)的1800A/1700V PrimePACK™ 3+模塊和EconoDUAL™ 3 900A/750A配增強(qiáng)型二極管，1700V IGBT7。
采用IGBT5.xt的1700V PrimePACK™是未來幾年內(nèi)風(fēng)電市場的領(lǐng)先產(chǎn)品，可提供出色的功率循壞能力，從而延長使用壽命。PrimePACK™ 3+是種先進(jìn)的功率模塊封裝，非常適合風(fēng)能應(yīng)用。封裝更適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)高載流能力，產(chǎn)品的功率密度提高幅度高達(dá)25％，使用壽命增長10倍。
EconoDUAL™ 3有著不俗的溫度周次能力，能夠承受大的負(fù)載變化造成的封裝機(jī)械應(yīng)力，一直是風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電和商用電動車等的首選。采用微溝槽技術(shù)的IGBT7，EconoDUAL™ 3 best-in-class可以做到900A，標(biāo)稱電流比IGBT4的600A大了50%，這樣大大提高的功率密度。750A配增強(qiáng)型二極管更是為風(fēng)電應(yīng)用定制而生。
小田切 亨
富士電機(jī)（中國）有限公司副總經(jīng)理、半導(dǎo)體營業(yè)本部 本部長
隨著光伏各種補(bǔ)貼的取消，光伏行業(yè)成本上的競爭變得越來越激烈。目前逆變器成本已經(jīng)被壓縮到了一個(gè)非常低的空間，進(jìn)一步的大幅降低成本是比較困難的。除了成本的抑制以外，進(jìn)一步提升效率、提高系統(tǒng)可靠性也需要重點(diǎn)考慮。
從功率半導(dǎo)體器件的視點(diǎn)看，我認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面去考慮。
1. 使用更新一代的功率半導(dǎo)體器件來提升系統(tǒng)整體效率。例如富士最新的X系列IGBT模塊的損耗大約較上一代模塊可以降低10%左右。
2. 根據(jù)光伏的動作特點(diǎn)，例如開關(guān)速度快慢，電流能力高低的需求，靈活配置各IGBT和FWD芯片，例如使用高速和低速（低導(dǎo)通壓降）的芯片的混合配置，或者IGBT和FWD非1：1的電流配置等。
3. 對于1500V系統(tǒng)，使用2.xkV等級耐壓的器件搭建兩電平結(jié)構(gòu)替代NPC（中點(diǎn)鉗位）三電平拓?fù)湟詼p少模塊數(shù)量和逆變器體積。
4. 在原有的封裝基礎(chǔ)上，通過RC-IGBT、SiC等先進(jìn)器件，進(jìn)一步擴(kuò)大電流等級，使得同樣的機(jī)型尺寸可以輸出更大的電流，實(shí)現(xiàn)更高功率密度。
賈鵬
安森美(onsemi)全球方案中心應(yīng)用市場工程師
功率器件在光伏(PV)產(chǎn)業(yè)的主要表現(xiàn)形式是光伏逆變器中的逆變單元，隨著功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的不斷發(fā)展，擁有更大耐壓的功率器件被大量采用在光伏逆變器中，這使得我們可以提高母線電壓，同樣也意味著相同功率下更小的電流，從而減小PV面板到逆變器中輸電電纜的尺寸，降低布線成本。其次，一般功率器件在光伏逆變器的成本占比只有約10%-15%，而無源器件和安裝運(yùn)輸成本可能占到40%-50%。采用更高效的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或更高效的半導(dǎo)體材料，如碳化硅(SiC)，可以讓逆變器高頻運(yùn)行，并且不犧牲散熱能力，從而減少無源器件和散熱器尺寸和重量，降低安裝運(yùn)輸成本。最后，由高效拓?fù)浜筒牧蠋淼模彩亲钪庇^的收益，即系統(tǒng)能效的上升，大大提高了發(fā)電量和用戶收益。
胡少偉
南京芯長征科技有限公司市場部經(jīng)理
從器件角度：功率器件早期主要使用歐美品牌，近兩年國產(chǎn)品牌強(qiáng)勢崛起，在清潔能源領(lǐng)域share了部分市場份額，國產(chǎn)品牌更具性價(jià)比優(yōu)勢。
從定制角度：國內(nèi)品牌供應(yīng)商，依據(jù)主流終端客戶的技術(shù)發(fā)展路線，從拓?fù)洹⒎庋b形式、器件規(guī)格等方面推出相應(yīng)產(chǎn)品，降低系統(tǒng)成本。可靠性角度：產(chǎn)品可靠性關(guān)乎光伏企業(yè)的后期維護(hù)成本和品牌影響力，芯長征在產(chǎn)品可靠性方面做了大量布局(產(chǎn)業(yè)鏈、通用設(shè)備采購、定制設(shè)備開發(fā)、客戶特定需求轉(zhuǎn)化為可靠性的驗(yàn)證的方案等等)，這些投入都是隱形的，但非常關(guān)鍵，也能為客戶減少售后成本。
王思亮
成都森未科技有限公司COO
逆變是光伏產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而光伏逆變器中的核心器件是IGBT等功率半導(dǎo)體器件。器件本身的性能和損耗很大程度上決定了轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)成本。因此，從IGBT等功率半導(dǎo)體方面考慮，提高器件的電流密度和開關(guān)頻率，同時(shí)降低器件的開關(guān)損耗，能夠同時(shí)達(dá)到降本增效的目的。
Doug Bailey
Power Integrations市場營銷副總裁
光伏(PV)市場已經(jīng)面臨較高的成本壓力，補(bǔ)貼的降低很可能會引起進(jìn)一步的整合。因此，系統(tǒng)層面的成本節(jié)約將是必需的。Power Integrations正在研究兩種方法：提高系統(tǒng)效率和采用新技術(shù)。
即插即用型SCALE-iFlex™ LT雙通道門極驅(qū)動器可將多個(gè)并聯(lián)EconoDUAL模塊的性能提高20%，使用戶可以從功率逆變器和變換器堆棧中節(jié)省每六個(gè)模塊中的一個(gè)。除了節(jié)省驅(qū)動器和模塊的成本外，這還降低了控制復(fù)雜性以及與模塊、接線、硬件和散熱有關(guān)的成本。
在部分應(yīng)用中，從IGBT轉(zhuǎn)向SiC MOSFET可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升，從而降低系統(tǒng)成本。Power Integrations的SCALE-iDriver™系列高效率單通道SiC MOSFET門極驅(qū)動器，可提供最大峰值輸出門極電流且無需外部推動級。這些器件經(jīng)過設(shè)定后可支持不同的門極驅(qū)動電壓，來滿足市售SiC-MOSFET的需求。除了這些IC，Power Integrations還提供經(jīng)過全面配置、測試和認(rèn)證的SiC門極驅(qū)動板。
Q2
光電轉(zhuǎn)化效率是光伏降本的關(guān)鍵之一，貴公司如何通過新一代功率半導(dǎo)體幫助客戶解決當(dāng)前困境，目前貴公司能為光伏行業(yè)提供怎么樣的解決方案，該方案的優(yōu)勢如何體現(xiàn)？
陸思清
大中國區(qū)三菱電機(jī)半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)中心副經(jīng)理
針對光伏行業(yè)，三菱電機(jī)新研發(fā)了工業(yè)LV100封裝IGBT模塊產(chǎn)品，電壓等級有1200V、1700V和2000V，電流等級有800A和1200A。模塊優(yōu)化了內(nèi)部芯片布局和外部端子排列，有利于模塊的并聯(lián)應(yīng)用，使其可廣泛應(yīng)用于逆變器的各自配置和容量。模塊搭載了三菱第7代IGBT和RFC二極管，有助于降低功率損耗。同時(shí)，模塊優(yōu)化了內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)，大大降低了內(nèi)部封裝電感，提高了可靠性。
工業(yè)LV100封裝IGBT模塊
小田切 亨
富士電機(jī)（中國）有限公司副總經(jīng)理、半導(dǎo)體營業(yè)本部 本部長
富士電機(jī)于2021年推出了基于X系列IGBT技術(shù)的新一代工業(yè)RC-IGBT（Reverse-Conducting IGBT)模塊產(chǎn)品系列。通過X系列芯片技術(shù)的低損耗和基于RC-IGBT的散熱性能的提高，逆變器的輸出功率密度得以進(jìn)一步提升一個(gè)等級。先進(jìn)的寬禁帶半導(dǎo)體器件也有助于系統(tǒng)效率的提升。
富士電機(jī)于2018年就推出了基于第一代溝槽柵結(jié)構(gòu)的全碳化硅模塊。今年將會量產(chǎn)第二代SiC-Mosfet，通過芯片減薄和溝槽間距微細(xì)化技術(shù)單位面積的導(dǎo)通電阻比第一代降低了23%。整體損耗相對于富士電機(jī)最新的硅模塊可以降低百分之六十以上，可以大大提升逆變器的整體效率。
賈鵬
安森美(onsemi)全球方案中心應(yīng)用市場工程師
安森美是領(lǐng)先的功率器件廠商，能夠提供適用于目前光伏市場的低中高壓IGBT、MOSFET單管和模塊產(chǎn)品及先進(jìn)的高能效封裝。同時(shí)，安森美也是唯一能提供從碳化硅襯底到模塊的端到端供應(yīng)商。憑借我們的碳化硅產(chǎn)品整合的端到端供應(yīng)鏈和領(lǐng)先市場的效率，我們?yōu)榭蛻籼峁┧璧墓⿷?yīng)保證，以支持未來快速增長的市場。
安森美提供寬廣的功率器件陣容讓設(shè)計(jì)人員選擇最適合應(yīng)用尺寸、成本和能效要求的電源拓?fù)洌覀兓赟iC的太陽能逆變器模塊能效超過99%，我們的SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)更快速的開關(guān)和更小巧的終端產(chǎn)品，如1200V M3S SiC MOSFET在硬開關(guān)應(yīng)用中比領(lǐng)先行業(yè)的競爭對手減少達(dá)20%的功率損耗；我們新的D3 1200V SiC二極管系列最小化導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提高終端應(yīng)用能效；我們的全SiC和混合SiC模塊經(jīng)優(yōu)化提供卓越的性能，比分立器件熱阻更低，易于安裝，有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝和引腳，如將在本次PCIM Asia展出的全SiC功率集成模塊(PIM) NXH010P120MNF1非常適用于3相太陽能逆變器和儲能系統(tǒng)，采用2-PACK半橋架構(gòu)，集成2個(gè)1200V SiC MOSFET，RDS(ON)低至10mΩ，高能效和高功率密度，它的較大裸芯片與溝槽式MOSFET相比，降低了熱阻，從而在相同的工作溫度下降低了裸芯片溫度，嵌入的一個(gè)負(fù)溫系數(shù)(NTC)熱敏電阻有助于溫度監(jiān)測，靈活的散熱接口提供高可靠性。
圖：全SiC模塊NXH010P120MNF1
此外，安森美也提供除功率器件以外的門極驅(qū)動、隔離、檢測、聯(lián)接等方案，如下面的框圖所示。在系統(tǒng)方面安森美也有很強(qiáng)的技術(shù)和系統(tǒng)知識，為客戶提供全球的應(yīng)用支援。
圖：太陽能方案框圖(橙色表示安森美可提供)
吳毅鋒
珠海稼未來科技有限公司CEO&CTO
鎵未來已量產(chǎn)650V氮化鎵大功率器件，具有極低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通內(nèi)阻。
在戶用光伏的MPPT升壓線路中使用氮化鎵器件代替硅MOSFET，而后級DC-AC逆變線路當(dāng)中，采用氮化鎵器件取代IGBT，整體的轉(zhuǎn)換效率可提升3%，等價(jià)于單位面積發(fā)電量的提升。使用氮化鎵器件，變換器的開關(guān)頻率可以提升2-3倍，降低了磁性器件的尺寸，另一方面功率損耗的降低也大大降低了散熱片的體積，從而使得整機(jī)體積和重量能減少30%，方便安裝。
Doug Bailey
Power Integrations市場營銷副總裁
對于光伏中心區(qū)域應(yīng)用，例如能量通過一個(gè)中央變換器（也即SCALE-iFlex LT雙門極驅(qū)動器）進(jìn)行路由的大型裝置，優(yōu)化硅是必不可少的，并且需要高性能的并聯(lián)。動態(tài)和靜態(tài)均流性于并聯(lián)模塊的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。對于相同的功率輸出，使用SCALE-iFlex LT的系統(tǒng)只需要五個(gè)并聯(lián)模塊，而其他廠商的方案則需要六個(gè)。實(shí)現(xiàn)成本和復(fù)雜性顯著降低的技術(shù)原因在于，保證模塊之間的開通和關(guān)斷指令的延遲差異小于20ns，在導(dǎo)通600A額定電流時(shí)模塊之間的電流差異小于20A。這使得各模塊能夠可靠地運(yùn)行，而無需進(jìn)行電流降額，而電流降額在不太先進(jìn)的驅(qū)動器解決方案中是必不可少的。
最多6個(gè)EconoDUAL 3或同等的功率模塊可以從同一個(gè)絕緣主控制(IMC)單元進(jìn)行并聯(lián)，其外形比傳統(tǒng)產(chǎn)品更加緊湊。模塊適配門極驅(qū)動器(MAG)的外形尺寸與EconoDUAL模塊相匹配，每個(gè)EconoDUAL模塊具有兩個(gè)SCALE-2 ASIC（每個(gè)通道一個(gè)），以優(yōu)化并聯(lián)對稱性、提高效率并增強(qiáng)保護(hù)。
對于較小的光伏組串裝置，SCALE-iDriver高效率單通道門極驅(qū)動器支持高達(dá)1200V和數(shù)百千瓦的IGBT和SiC-MOSFET逆變器設(shè)計(jì)，無需推動級。這樣將提高系統(tǒng)效率，客戶只需完成一個(gè)設(shè)計(jì)即可覆蓋整個(gè)產(chǎn)品陣容中不同額定功率的逆變器。開關(guān)頻率高達(dá)150kHz，可支持多種應(yīng)用。
SCALE-iDriver門極驅(qū)動器采用Power Integrations的高速FluxLink™通信技術(shù)，可大幅增強(qiáng)絕緣性能。FluxLink是一項(xiàng)革新性的信號傳輸技術(shù)，它可取代光耦器和電容性或硅基方案，顯著提高可靠性并提供1200V加強(qiáng)絕緣。
器件還可在開關(guān)操作期間提供完整的短路保護(hù)(≤2µs)和過壓保護(hù)。
Q3
隨著風(fēng)機(jī)價(jià)值的普遍下降，風(fēng)電變流器將承擔(dān)巨大的壓力，作為功率器件廠商，將如何幫助風(fēng)電行業(yè)客戶越過鴻溝？
小田切 亨
富士電機(jī)（中國）有限公司副總經(jīng)理、半導(dǎo)體營業(yè)本部 本部長
我們認(rèn)為風(fēng)電變流器的大容量，高電壓化的趨勢不會改變。如之前所述，富士的RC-IGBT可以大幅降低結(jié)-殼熱阻，因此特別適用于具有低頻工況的機(jī)側(cè)變流器。例如富士2合1封裝的1700V/800A RC-IGBT模塊，在兩電平拓?fù)湎拢?并聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)1.5MW以上的輸出能力，在業(yè)界收到廣泛的歡迎。
從國外的風(fēng)電市場看，950V系統(tǒng)的普及率越來越高，在未來使用2.xkV等級模塊的兩電平系統(tǒng)可能會有更大成本上的優(yōu)勢。
Doug Bailey
Power Integrations市場營銷副總裁
與光伏市場一樣，風(fēng)電行業(yè)也在提高現(xiàn)有硬件的利用率。因此，對于集中式和分散式部署，我們的SCALE-iFlex LT和 SCALE-iDriver解決方案可分別提供巨大的優(yōu)勢，如前面兩個(gè)問題的回答中說述。對于集中式部署，即插即用型SCALE-iFlex™ LT雙門極驅(qū)動器允許用戶從功率逆變器和變換器堆棧中節(jié)省每六個(gè)模塊中的一個(gè)；在分散式部署中，SCALE-iDriver門極驅(qū)動器使用戶能夠受益于最新的SiC技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。
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