在能源电子产业加速发展的背景下，全球光伏装机量持续攀升，为碳化硅带来可观的市场增量。Yole研报预计，应用于光伏发电及储能的碳化硅市场规模将在2025年达到3.14亿美元，2019—2025年复合增长率为17%。

光伏发电是SiC器件除新能源汽车领域外的第二应用领域。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备，主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。随着光伏产业迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”的时代，光伏电站电压等级将从1000V提升至1500V及以上，对功率器件的物理性能提出了更高的要求，此时碳化硅进入了大众视野。

在光伏发电应用中，虽然以硅基器件为主的传统逆变器成本约占系统10%左右，但它却是系统能量损耗的主要来源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOS具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、无电流拖尾现象、高开关速度等优点，并且可以在高温等恶劣的环境中工作，有利于提高光伏逆变器使用寿命。基于SiC优异的性能，SiC在光伏领域的应用逐渐成熟，伴随渗透率的进一步提升，其有望逐渐替代硅基IGBT在光伏逆变器上的应用。

根据企业公开信息，多家国际光伏逆变器大厂已经布局 SiC 模块，如英飞凌、安森美、富士电机等跨国企业已经实现了规模化应用。国际大厂引领碳化硅在光伏逆变器中应用，国内企业也在积极跟进，在2014年，中国的阳光电源也推出第一款采用SiC MOSFET器件的光伏逆变器，并于2017年规模化应用。

发展可再生能源是的我国长期战略目标，光伏发电作为重要的绿色环保发电方式，发展前景广阔。未来，随着新能源替代传统燃料步伐加速，逆变器向高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展，具备高功率、耐高压、 耐高温、高频和低能耗等优点的SiC功率器件也将迎来发展新机遇。

同时，光伏组件功率密度的持续提升，也对碳化硅器件性能提出了更高的要求。要抓住光伏带来的市场机遇，碳化硅厂商还需要在产品综合性能、制备良率、供应链协作等多个维度发力。

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碳化硅高度契合光伏逆变器演进方向

光伏逆变器将光伏面板产生的直流电转化为交流电以用于电网，是太阳能光伏发电系统的核心部件。光伏逆变器的转化效率，直接影响整个光伏系统的发电效率。

宽禁带半导体的长处正是更高的能源转化效率，其性能优势与光伏逆变器的迭代需求有着较高的契合度。华为发布的智能光伏十大趋势显示，光伏电站向大功率、高可靠性发展已成为趋势。以光伏逆变器为例，直流电压已经由1100V提升到1500V。通过碳化硅、氮化镓等新材料的应用，以及将数字技术与电力电子技术、热管理技术等充分结合，预计未来5年逆变器的功率密度将再提升50%。

基本半导体工业业务部总监杨同礼表示，随着太阳能电池板的尺寸和功率密度逐步增加，传统的硅基器件已不能满足光伏逆变器MPPT(最大功率点跟踪)电路在效率和发热方面的需求，各方面性能更优越的碳化硅功率器件上场应用成为必然趋势。“相对硅器件而言，碳化硅功率器件能为光伏逆变器带来更高的转换效率、更低的能量损耗，从而有效缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。”

安森美应用市场工程师贾鹏也向表示，基于碳化硅的光伏逆变系统能够在效率、体积和重量上做得更好。宽禁带材料的优异特性允许基于其制造的半导体器件在高频高温高压下工作，高频意味着更小的电感体积和高频条件下仍能接受的损耗，高温意味着更好的散热能力和更加紧凑的系统布局，高压则代表着更高的母线电压，将更大的传输功率或更小的由传输电流带来的线路损耗变为可能。

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SiC光伏逆变器提效显著，备受市场关注

在光伏领域高速发展的时代，SiC光伏逆变器备受市场关注的原因大致有三个：

（1）SiC二极管的逆变器，可以使系统的电力损失得到减少。相比于Si二极管，使用SiC二极管可以减少约30％的损失。

（2）SiC二极管可以使逆变器的体积和质量大大减小。由于SiC散热快，缩小了系统的冷却结构。利用SiC二极管，可使逆变器的体积和重量减少40%～60％左右。

（3）SiC逆变器已在国内外市场得到广泛实际应用验证。

轨道交通方面，东京地铁银座线的新“01系列车”采用了SiC逆变器，不仅降低了逆变器的电能损耗，还提高了电能再生性能，从而降低了耗电量；我国株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器，在节能方面表现优异，经装车试验测试，同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统，综合能耗降低10%以上，牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上，温升同比降低40℃以上。

新能源汽车方面，特斯拉率先开展SiC器件的应用，Model 3采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器，相较Model X等车型上采用的IGBT能带来5%～8%的逆变器效率提升，之后相继推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技术。国内方面，比亚迪·汉EV高性能四驱版本也搭载了SiC器件，为国内首款采用SiC技术的车型。蔚来首款纯电轿车——ET7也将搭载采用SiC模块的第二代电驱平台。

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对标光伏需求提升多项技术指标

面向光伏逆变器功率更大、效率更高、体积更小、成本更低，以及组串式逆变器配置灵活、易于安装的发展方向，碳化硅供应商从多个技术指标入手，持续提升器件性能。

提升光伏逆变器的最大直流母线电压，将提升光伏变电站的成本效益，这对碳化硅功率器件的电压等级提出了更高的要求。在1100V的直流系统中，功率级别一般在8kW—150kW之间，100kW的低功率和中功率系统通常使用1200V和650V开关。当光伏逆变器从1100V做到1500V，功率器件的工作电压也随之提升。例如安森美的EliteSiC系列（包括碳化硅MOSFET、碳化硅二极管），耐压范围为650V-1700V，可以覆盖目前的1100V和1500V的光伏逆变器系统。其中1700V SiC MOSFET对应1500V直流母线的光伏逆变器产品。

而更高的功率密度，是光伏逆变器主要的升级方向，也考验着碳化硅器件的综合性能。比如基本半导体的第二代碳化硅MOSFET在比导通电阻、开关速度、开关损耗以及成本上进行了改善，以进一步提升客户端光伏逆变器的功率密度。在碳化硅功率模块方面，基本半导体推进工业级碳化硅二极管模块、MOSFET模块以及混合模块的开发，以满足百千瓦级别以上更高功率的光伏逆变器的应用需求。安徽芯塔电子也在新一代SiC MOSFET提升了器件的功率密度和效率，对比前一代产品具有更小的芯片尺寸、更低的米勒电容、更高的抗干扰能力，以更好地满足光伏储能对提升性价比、改善器件动态特性以及降低开关损耗的需求。

缩小体积以降低成本也是光伏逆变器的演进趋势，尤其体现在微型逆变器和组串式逆变器上，碳化硅器件也需要做得更加紧凑并解决由此带来的散热问题。安森美推出了首款TOLL封装650V SiC MOSFET，适配小尺寸高功率密度的产品，TOLL封装的尺寸仅为9.9mm×11.68mm，比D2PAK封装的PCB面积节省30%，同时具有更好的散热和寄生电感。

此外，组串式逆变器模块化、灵活可配置的特点，也需要碳化硅厂商提供更加灵活便捷的解决方案。英飞凌面向组串式逆变器的需求，推出了由950V IGBT7和1200V碳化硅二极管构成的MPPT模块，采用了PressFIT压接技术以降低安装难度，并基于Easy模块技术，让客户可以在不同的拓扑结构、电压等级、封装和技术之间进行选择。

04

抓住市场增量考验厂商综合能力

要抓住光伏带来的市场机遇，碳化硅厂商需要在产品综合性能、制备良率、供应链协作等多个维度发力。

“由于光伏逆变器所处的户外环境比较恶劣，以及运行周期长等原因，行业对碳化硅功率器件的可靠性等综合性能的要求更加严苛，加之光伏行业竞争激烈，客户不断追求性价比，非常考验碳化硅企业的综合竞争力。”杨同礼说。

贾鹏也指出，碳化硅是世界上第三硬的复合材料，且非常易碎，因此要注重碳化硅制备过程中的良率和质量。

“随着碳化硅技术的不断成熟和降本，大部分光伏逆变器中的超结MOSFET和IGBT会被替代，这对于整条碳化硅产业链来说是一个巨大的市场。然而，在扩大量产能力的同时保持良率和质量对于任何一家半导体公司都是一种挑战，因此半导体企业会持续投资建厂或与龙头客户签订长期供应协议。如安森美等提供从晶圆到方案的碳化硅供应商，除了做好生产供应之外，还需要和客户一起研究实际应用中碰到的问题，比如碳化硅替代后的散热方案以及高频工作带来的其它干扰等等。”贾鹏说。

同样值得注意的是，国内碳化硅产能还未大规模释放，在布局光伏的过程中，要注重与本地产业链的协作，利用好贴近市场的优势。

安徽芯塔电子科技有限公司市场经理周骏峰向表示，国内碳化硅产业链都在积极扩产，但产能等方面与国际巨头尚有差距。国内碳化硅产业要依靠国内产业链的合作与深度协同，才能更好地与国际巨头竞争。例如，芯塔电子的SiC MOSFET产品未来会朝着15V驱动迭代，因为国内驱动芯片厂商大多供应15V的驱动芯片，配套容易，使客户可以充分利用 SiC MOSFET 的优势。

“基于对客户终端应用的深刻理解，提前挖掘终端应用蓝海市场，精准定义新产品，率先开发出有特色的功率器件和模块，才能确保早期蓝海市场的红利。”周骏峰说。

文章来源： 中国电子报， 嵩山硼业SSPY，电子产品世界