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 在“碳中和”背景下，大力發(fā)展太陽能光伏等清潔能源產業(yè)已是大勢所趨。中國光伏行業(yè)協(xié)會最新報告顯示，2021年我國光伏新增裝機達54.88GW，同比增長13.9%，創(chuàng)歷史新高。歐美等國對光伏發(fā)電的投入也在不斷提高，2021年全球光伏新增裝機達到170GW。

IGBT作為光伏逆變器（直流轉交流）的重要組成部分，在光伏等領域的應用極為廣泛。隨著光伏裝機量的持續(xù)增長，對IGBT的需求也迅速攀升。近來，市場上就不斷有關于國際大廠IGBT賣斷貨的消息傳出，這種形勢也為國內IGBT產業(yè)的發(fā)展提供了契機。

2025年光伏IGBT市場規(guī)模將達百億元

近年來，光伏產業(yè)熱潮不斷。2021年我國新增光伏發(fā)電裝機量達到54.88GW，連續(xù)9年穩(wěn)居世界首位。中國光伏行業(yè)協(xié)會還預計2022 年我國光伏新增裝機量將達75G～90GW，2022-2025 年我國年均新增光伏裝機量達到83GW～99GW。與此同時，出口市場也不斷增長。日前，歐盟發(fā)布能源獨立路線圖，力求從天然氣開始，在2030年前擺脫對俄羅斯的能源進口依賴。3月15日，歐盟理事會通過了“碳邊境調節(jié)機制（CBAM）”。專家認為，歐洲大概率會加速光伏布局與應用，今年歐盟光伏新增裝機量可能會超出預期。

在此情況下，作為光伏逆變器核心器件的IGBT，市場空間也被極大拓展。對此，賽晶科技董事會主席項頡就指出，目前世界各國對氣候變暖的嚴峻性和迫切性已經有了共識，包含中國在內的許多國家相繼出臺“碳中和”目標。為了達成這一目標，需要在發(fā)電、輸配電和用電等環(huán)節(jié)均采取相關的措施。這樣就需要在能源和產業(yè)結構、技術和標準，以及配套的政策等諸多方面，構建可持續(xù)發(fā)展的綠色能源發(fā)展體系。作為光伏逆變器中的核心元器件，IGBT一定會受到這一市場發(fā)展的直接帶動。

英飛凌相關負責人也表示，未來十年，電動化和數(shù)字化將成為產業(yè)和社會發(fā)展的重要推動力。電動化涉及發(fā)電、輸變電、儲能、用電在內的電力價值鏈各個環(huán)節(jié)，而光伏是其中的發(fā)電環(huán)節(jié)。包括IGBT在內的功率半導體在整個電力價值鏈中扮演著重要角色。隨著電動化的推進，未來功率半導體的市場規(guī)模將會不斷成長。

據(jù)介紹，光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的核心組件，可將太陽能電池發(fā)出的直流電轉化為符合電網電能質量要求的交流電，并配合一般交流供電的設備使用。光伏逆變器的性能可以影響整個光伏系統(tǒng)的平穩(wěn)性、發(fā)電效率和使用年限。而在逆變電路中，都需使用IGBT等具有開關特性的半導體功率器件，控制各個功率器件輪流導通和關斷，再經由變壓器藕合升壓或降壓，最終實現(xiàn)交流轉直流的轉換。

值得注意的是，逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10年-15年，而光伏組件的運營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內至少需要更換一次。這也進一步擴大了IGBT在光伏系統(tǒng)中的使用量。

項頡估算，2021年中國光伏市場對IGBT的需求約為15億元。如果加上中國逆變器廠家出口逆變器的需求，這一規(guī)模近40億元。隨著市場對可再生能源需求的提升，對IGBT需求也將持續(xù)增長，預計到2025年，新增裝機容量加上替換裝機容量的IGBT需求將達百億元規(guī)模。

光伏IGBT對可靠性要求非常高

目前，車用市場與光伏系統(tǒng)是IGBT最大的兩個應用市場，也最受行業(yè)關注。IGBT技術也在貼合這兩大市場的需求不斷發(fā)展。項頡表示，為了滿足電動車電驅系統(tǒng)的輕量化和高功率密度，車用IGBT需要實現(xiàn)低功率損耗和高開關頻率。此外，電動車的拓撲是典型的三相逆變器橋，因此，汽車電驅IGBT模塊一般采用6in1模塊封裝或者半橋模塊封裝。

相對而言，光伏電池板的電壓具有多樣性，因而光伏逆變器采用的拓撲結構也不相同，微型逆變器一般采用IGBT單管的分立器件方式；1000V組串光伏逆變器采用T型三電平模塊；1500V組串逆變器應用的是I型三電平模塊；1500V集中式逆變器采用了半橋模塊來配置I型三電平拓撲。也就是說，IGBT應用在不同的光伏逆變器上時，需要根據(jù)系統(tǒng)配置的實際需求選用不同特性和封裝的產品。

受應用端的影響，IGBT也展現(xiàn)出不同的技術趨勢。首先光伏IGBT對于可靠性的要求會非常高。光伏是將直流電逆變到交流電，再上傳到電網。“這種線路不像工控領域，因為擔心過載，工控領域往往對IGBT模塊降壓使用，比如模塊的額定電流為100A，降等用于40A-50A。光伏逆變器企業(yè)基本上會把IGBT模塊性能用到極致，所以對IGBT芯片的可靠性要求也要高于工控領域。”有相關研發(fā)人員告訴記者。

對于光伏用功率模塊技術的發(fā)展，可以從芯片設計、封裝和模塊制造等幾個方面來展開，確保產品的可靠性。對于芯片技術，一是對硅IGBT和二極管等進行性能的優(yōu)化和升級；二是采用SiC等新材料，其中組串逆變器對SiC二極管的需求已經越來越廣泛。在封裝方面，需要滿足可靠性的要求，同時也需要考慮新器件的采用，比如使得SiC器件充分發(fā)揮性能的低雜散電感封裝等。在模塊的制造方面，需要采用嚴格的制造過程保證模塊的一致性和可靠性，同時需要采用綠色制造工藝和環(huán)保材料等，為可持續(xù)發(fā)展的社會做出貢獻。

另一個值得注意的趨勢是，隨著近年來分布式光伏市場的迅速增長，將對IGBT單管提出更高要求。國家能源局2021年5月提出“在確保安全前提下，鼓勵有條件的戶用光伏項目配備儲能”“戶用光伏發(fā)電項目由電網企業(yè)保障并網消納”。在相關政策助力下，分布式光伏與配儲有望迎來規(guī)模化發(fā)展。分布式光伏主要采用IGBT單管解決方案。在需求的驅動下，IGBT單管有望迎來一波新的發(fā)展。

碳化硅 IGBT將成為市場的寵兒

近年來，碳化硅等寬禁帶半導體在太陽能光伏系統(tǒng)中也有了越來越廣泛的應用。瑞能半導體CEO Markus Mosen向記者指出，碳化硅功率半導體產品在能源應用中將成為市場的“寵兒”，碳化硅功率半導體憑借其低功耗、長壽命、高頻率、體積小等技術優(yōu)勢，在光伏等領域具備較強的替代潛力。

目前，SiC MOSFET和SiC二極管在光伏發(fā)電市場的應用越來越多。得益于SiC材料的低損耗且能夠有效降低光伏發(fā)電的系統(tǒng)成本，SiC二極管在微型逆變器和組串逆變器上已經得到驗證以及應用。隨著SiC晶圓成本的降低和良品率的提升，SiC MOSFET的成本持續(xù)降低。在可以預見的未來，SiC MOSFET的應用也將擴展到微型逆變器和組串逆變器當中。下一步，碳化硅器件廠商將會開發(fā)適用于光伏逆變器應用的高壓SiC MOSFET，使得SiC MEOSFET的應用領域擴展到大功率組串逆變器和集中式逆變器當中。

相對而言，目前SiC IGBT受限于良品率與應用場景等問題，還沒有規(guī)?；纳虡I(yè)應用。對此，英飛凌負責人表示，SiC IGBT用于萬伏以上的高壓，尚處于研究階段，還未看到商業(yè)應用。項頡也表示，目前業(yè)界的共識一般是在萬伏以上才會考慮應用SiC IGBT。作為寬禁帶器件，在1萬伏以下的應用場景中采用SiC MOSFET就可以滿足需求了。在萬伏以下應用，SiC IGBT在性能沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢，因為在此范圍內SiC IGBT的飽和壓降比SiC MOSFET的壓降更高，同時在制造工藝上，SiC IGBT更加復雜，成本也更高。

不過相關專家也指出，我國地域遼闊，經濟處于快速發(fā)展階段，對電力特別是光伏等清潔能源需求正在快速增長。隨著“西電東送”等超大型電力工程的持續(xù)推進，研究和發(fā)展特高壓交流輸變電技術是十分必要的。相信能夠勝任高功率工作場景的SiC IGBT，未來同樣具有廣闊的發(fā)展空間。

原標題：光伏熱帶火IGBT