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光储充市场兴起,国产功率器件应用迎新机

2022-03-29 14:50:55 来源:半导体器件应用网 点击:54504
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前言

为应对气候变化、解决环境保护与经济发展的矛盾,我国提出碳达峰、碳中和“3060”的目标。至此,双碳战略的推进将为各行各业注入了新的活力,不断改变着行业的竞争格局,也催生了新能源、光伏、储能等一批新型产业的兴起。同时随着国家利好政策扶植和消费者的青睐,新能源汽车市场加快发展。但新能源汽车的电池续航弊端日益突出,为缓解里程焦虑,缩短充电时长,光储充一体化的建立和完善为其提供了续航便捷。对于半导体行业来说,光储充一体化的发展,也给功率器件和第三代半导体材料带来了新的应用领域。

光储充市场兴起,国产功率器件应用迎新机

光储充的功率器件应用

顾名思义,光储充一体化就是光伏、储能、充电一站式应用。其明显优势在于,利用光伏发电和峰谷灵活、柔性充放电,可以为电网运行提供调峰、需求响应等多种服务,有效实现电网削峰填谷,缓解高峰供电对电网的冲击,同时降低用电成本。

跟传统充电设备来比,光储充所涉及的知识储备和变换器的结构较为全面,整个电源结构单元和变换器架构系统要丰富、复杂得多。光储充利用AC/DC双向变流器、光伏MPPT控制器、DC/DC双向变流器等功率转换设备,通过直流母线或者交流母线将电网、光伏发电系统、储能系统及智能充电桩连接到一起。

IGBT是光储充的核心器件,通过IGBT等功率半导体开关器件的开通和关断作用,把直流电转换成交流电,最终实现并网。光储充建设需要消耗大量的IGBT,以光伏逆变器为例,据统计,目前集中式的逆变器功率普遍以125kw模块起步,里面用3个半桥1200V 600A IGBT模块,每个半桥IGBT模块内部使用2只IGBT管芯,每只管芯里面4颗IGBT芯片。而组串式逆变器的结构更为复杂,使用的IGBT数量更多。

目前,国内半导体厂商纷纷布局光储充市场,特别是在功率器件。深圳尚阳通科技有限公司(简称:尚阳通)是国内的功率器件原厂,具有高压和中低压的IGBT和碳化硅相关的产品。目前光储充基本上使用硅器件高压MOS,低压SGT以及IGBT和碳化硅器件,而尚阳通在每一个功率器件,甚至整套系统上都有自己的解决方案。

另外了解到,泰科天润半导体科技(北京)有限公司(简称:泰科天润)通过使用优化的MPS结构和先进的减薄工艺,使碳化硅二极管产品具有优秀的耐冲击性能、极低的漏电流和低导通压降。在实际应用中,泰科天润产品优秀的性能可以大幅减少电源系统转换损耗,提升系统功率密度。例如,第五代650V碳化硅二极管的Vf可低至1.3V以下,性能优于行业平均水平。

光储充的电源设计需改进

近两年来,应用于光储充的电源逐渐兴起。目前光储充的整套设备以出口海外为主,而国内市场还在培育过程中。在国内市场上,光储充整套系统的标准还不是特别的完善,一定程度上影响着电源设计的安全和可靠性。

尚阳通产品市场总监王彬表示:“因为目前还没有一致性的标准,不同厂家产品质量都会有存在区别,对外的接口和对电网端设备的接口还不太统一,所以我觉得这是首先要解决的问题。另外对整个电源系统的效率和可靠性方面,我觉得还要进一步提高。因为可靠性面临着用户光储充设备的使用时间、寿命和安全要求等问题,但伴随着国内统一标准的建立,约束不同厂家对设计上的考量要求,都需要进一步规范和完善。其次效率上还要进一步提高,因为光储充储能涉及电源,转换效率可以进一步的发挥,电池的使用时间也需要进一步提高。”

“目前储能价格还太高,而且不是很安全。现在基层厂家比较乱,各种厂家都有,同时监管和评估机制不成熟,导致很多客户还是担心储能系统会出安全问题。”阳光电源股份有限公司(简称:阳光电源)光伏事业部国内解决方案总监李灿林告诉记者。

简而言之,统一标准、提高效率和可靠性是目前光储充电源存在的三大主要问题。针对这三个方面,王彬认为,因为目前光储充的玩家越来越多,光储充电源最好尽快形成市场规模,进而带动企业或者行业建立统一的标准。

他还认为,由于每家企业定位不尽相同,相关企业可以尽量提高自身的知名度和标准,进行排查和形成自己的门槛。效率方面,希望厂家采用比较先进、成熟的技术,不只是在成本上下功夫,尽量提高设备的可靠性和效率,拥有更好的用户使用体验感。

另外,值得注意的是,光储充的储能电池一直存在着安全隐患,在行业和社会中也被得到广泛关注。不得不说,光储充一体化作为一种新的应用场景,目前还缺少针对应用场景的设计标准和设计依据,另外成本较高也暂时限制了其大批量推广。

据介绍,福建星云电子股份有限公司(简称“星云股份”)光储充检一体化解决方案,除了具备常规光储充一体化解决方案能力,还具备星云独家的电动汽车动力电池在线检测能力,保障电动汽车的安全,为运营商提供附加价值。

星云股份智慧能源产品研发部总监杨惠坤表示:“电动汽车充电桩、光伏发电和电化学储能规模越来越大,储能电池成本近五年成本一直在下降,有理由相信随着行业规模扩大、工艺和制程优化、替代技术和产品的出现,光储充行业发展发现是更高性价比,更容易获得。”

第三代半导体材料应用创新

第三代半导体碳化硅(SiC)相比于前两代半导体材料,具备大禁带宽度、大漂移速率、大热导率、大击穿场强等优势,从而能够开发出更适应高功率、高频、高温、高电压等恶劣条件的功率半导体器件。整体来看,碳化硅的耐高压能力是硅的10倍,耐高温能力是硅的2倍,高频能力是硅的2倍。与硅基模块相比,碳化硅二极管及开关管组成的模块(全碳模块),不仅具有碳化硅材料本征特性优势,在应用时还可以缩小模块体积50%以上,消减电子转换损耗80%以上,从而降低综合成本。

光储充市场兴起,国产功率器件应用迎新机

此外,相比于传统的硅基器件,碳化硅耐高压、耐高温的特性,使得其仅用结构更简单的MOSFET器件就能覆盖硅基IGBT耐压水平,同时规避其高能耗特点。这也意味着碳化硅材料能够实现在射频器件和功率器件上对硅基材料性能的完美替代。

目前,更高功率,更快充电速度,更安全便捷是光储充的主要方向。据了解,尚阳通目前也在布局第三代半导体市场,尤其是在光储充上,主要布局碳化硅相关器件,包括二极管和MOS管。王彬也表示:“对于传统的硅基器件来说,碳化硅器件的开关频率可以应用在更高功率密度,系列面积可以做得更小,比较有效地提高产品的效率。另外由于碳化硅基耐高温材料特性,可以进一步提高功率密度和降低成本。”

尚阳通在碳化硅产品的系列上有较全的布局;另一方面,也结合了新型封装技术,将不同的器件,尤其是碳化硅器件整合在模块里,有利于用户,尤其是设备制造商,把产品的功率密度进一步提高,降低损耗。同时尚阳通也希望可以和客户做一些深入合作,针对客户的实际应用和设计特点,提供定制化的产品。

目前来看,尽管碳化硅存在诸多性能上的优势,但目前较高的成本依然限制着它的全面应用。考虑到碳化硅器件的低能耗优势,以及量产和技术成熟带来的成本下降趋势,在新能源时代,碳化硅即将迎来属于它的性价比“奇点时刻”。在光储充一体化中,目前光伏逆变器、充电桩企业已采用碳化硅功率器件替代硅器件。未来,碳化硅器件将在各应用场景持续替代传统硅基器件。

光储充一体化的市场发展

储能是未来新型电力系统的核心资产,赛道景气度高。光储充一体化不仅可以解决未来更多更大功率电动汽车充电对电网的功率冲击问题,而且可以解决光伏发电、风力发电平稳输出问题,满足城市用电负荷动态平衡需求问题。杨惠坤认为,随着电动汽车越来越多,光储充一体化在城市充电站、高速公路服务区、工业园区等场景应用也会越来越多。

另外,泰科天润营销副总秋琪认为:“未来光储充一体化也是朝着提高功率密度、高转换效率、小型化轻量化的方向发展。使用第三代半导体碳化硅器件,可提升相关功率转换设备的效率,大幅减少设备体积和重量,从而减少整个系统的损耗与成本。”

但在市场前景被看好的情况下,光储充一体化的发展也会存在着一些问题。广州巨湾技研有限公司汽车充电桩事业部总监彭文科表示:“只要能装光伏的地方,基本都会装储能系统。随着储能电池的进步以及后期总体成本的下降,储能方案也会达到比较好的状态。但是近期由于原材料价格上的波动,可能就暂缓一下,总体往大功率快充的发展趋势不变。”

他还表示,储能的技术迭代很快,但还不太成熟。充电桩的主要核心问题在于目前充电的建设和管理比较无序。因此也确实产生了行业盈利水平差的系列市场问题。

“阳光电源主要使用进口的功率器件,但国产化肯定是趋势,不能急。因为现在整个市场的认可度和产品的稳定性都需要时间的验证。一旦产品规模化出来之后,出问题会涉及很多客户,后期运维风险非常大,都是小批量使用。”李灿林说道。

目前,受制于不同地区的自然地理环境及其商业模式的不成熟等因素,光储充一体化的发展尚未有效普及,但在部分沿海发达地区已经得到实际运作。

据测算,在不考虑其他类型电化学储能的贡献情况下,仅考虑国家电网覆盖业务范围内的电网侧及“光充储”储能,预计2022年新增需求3.31GWh,2024年可达13.58GWh。

光储充市场兴起,国产功率器件应用迎新机

整体来说,光储充一体化储能系统的市场增长将在未来两年呈现出迅速发展的趋势。特别是随着国内利好政策出台,储能市场迎来迸发,光储充一体化的发展潜力将会得到有力体现。

然而,目前上游原材料价格上涨,造成光储充的建设成本增加,同时下游终端使用的IGBT等功率器件仍然需要依赖进口,特别是在疫情环境下,供应链的稳定受到一定的冲击。但对于国内功率器件厂商而言,这也是一个很好的市场发展机会。如果国内厂商能够在产品质量、性能等方面实现国产替代,那么对国内光储充一体化的推广和发展将会有很大的促进作用。

结语

双碳战略目标下,新能源发电将会迎来新的投产高峰期。伴随着储能行业景气度的提升,应用于光储充的功率器件等产品需求将不断爆发。低成本、高安全、长寿命是储能技术的发展技术,降本提效推动储能产业发展,竞争格局逐渐优化。虽然目前光储充的应用还需进一步的推广,但是随着行业标准的建立,电源可靠性的提高等,光储充一体化将迎来更好的市场发展环境。同时借助碳化硅等第三代半导体材料的应用,以及国内企业的技术精进和研发投入,相信国内企业未来逐渐具备国产替代的能力,国内发电侧储能市场将被进一步打开。

 

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