通向成功的禁带：第三代半导体国产化为光伏带来新机遇！

 

一直以来，光伏逆变器元器件环节长期被国外厂商占据大部分市场份额，但现在，国产功率器件将有望打破壁垒，利用第三代半导体的机会弯道超车，助力中国光伏逆变器企业顺利推出下一代解决方案，让光伏迎来新一轮的提效降本技术热潮。

 

 

半导体材料发展至今经历了三次技术迭代。

 

是锗与硅，也是目前最主流的半导体材料，成本相对便宜，制程技术也最为成熟，应用领域在信息技术产业以及微电子产业；

 

 

包括砷化镓以及磷化铟，主要应用在射频通讯产业以及光电产业；

 

 

以碳化硅以及氮化镓为代表，可应用在更高阶的高压高频的功率元件领域。

 

碳化硅（SiC）的击穿电压是传统硅器件的十倍以上，并具有比硅更低的导通电阻，栅极电荷和反向恢复电荷特性，以及更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以在比硅器件更高的电压，频率和电流下切换，同时更有效地管理散热。由于功率转换效率与开关频率直接相关，因此碳化硅器件既可以处理比硅器件更高的电压，又可以确保超高开关和导通频率。

 

在光伏领域之外，碳化硅器件对比硅器件也有非常大的优势。采用碳化硅器件的电动汽车可以有效提高行驶里程，减小部件梯级降低系统噪声。

 

以光伏逆变器为例，对功率半导体器件性能指标和可靠性要求日益提高，更高的工作电压、更大的工作电流、更高的功率密度以及更高的工作温度都将是未来的挑战。随着行业迈入“后1500V”以及“20A大电流”时代，要建成更大组串，进一步降低成本，目前常见的有两种办法：

 

一是降低组件工作电压，另一种方法是提高电站的电压等级，近年来光伏电站电压等级从1000V提升至1500V，就必须使用第三代半导体材料也就是碳化硅功率器件。据了解，目前业内也在研发1700V甚至2000V及以上电压等级技术，因此可以说未来的光伏功率器件领域一定是以碳化硅为主动器件的市场驱动。

 

光伏逆变器龙头阳光电源在2018年累计出货了超过15万台使用碳化硅功率器件的光伏设备，其中已经累计使用超过150万颗碳化硅功率器件。其明确指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，显著提高开关频率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系统成本和运维成本。

 

在器件、模块制造环节，我国已出现了一批优秀的企业，包括三安集成、泰科天润、中车时代、世纪金光、深圳基本、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、聚力成半导体等。

 

但碳化硅元器件也存在着自身的瓶颈，三安集成功率半导体事业部中国区销售总监张真榕表示：“以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体器件性能优异，但对材料、封装和器件保护等技术要求更高，而且长期以来被国外企业垄断，成本居高不下。”三安集成母公司三安光电成立于2000年，历经20余年的发展，发展为集LED、微波射频、滤波器、光技术、电力电子五大应用领域为一体的化合物半导体产业集群，其中第三代半导体业务完成了“晶圆-衬底-外延-封装”的全产业链整合。

 

 

专家指出，第三代半导体是中国产业难得的历史机遇。不同于中国错失的一代二代半导体技术，第三代半导体国内和国际巨头几乎处于同一起跑线，科锐、道康宁等企业占据全球大部分市场份额，但中国三安集成等企业也建立了完整了第三代半导体产业链。同时中国拥有者庞大的应用市场，光伏逆变器、新能源汽车空间巨大，中国半导体企业可以根据中国市场需求定义产品。

 

不久前，三安集成邀请了国内领先的百余位光伏逆变器领域的专业人士，向其分享该公司在碳化硅元器件方面的成果以及光伏逆变器国产化的前景。

 

在三安集成的生产线上，笔者看到，碳化硅的生产工艺与光伏生产的很多设备功能相似，但“纯度更高”（11个9以上）、“温度更高”（2000°C高温）、“精度更高”（极低缺陷和位错）。

 

三安集成在福建建立了4英寸和6英寸的晶圆生产线，在长沙投资160亿元建设碳化硅产业园，涵盖6英寸导电衬底、6英寸绝缘衬底、外延、芯片和封装工厂。三安集成张真榕表示，到2025年，三安集成将形成4万片每月的6寸晶圆的产能。

 

 

此外，在中美贸易摩擦期间，部分逆变器厂家担心半导体器件供应安全，也开始积极同中国半导体厂商接洽，以期早日实现供应商多样化、器件国产化。同时在全球疫情影响下，传统半导体芯片大厂的制造和供应能力都屡受波及，产能下降、价格上涨，需要国产化器件来稳定半导体芯片市场。

 

目前，包括华为、阳光电源、上能、锦浪、固德威、首航、古瑞瓦特、爱士惟等多家中国逆变器厂商表达了对第三代半导体元器件国产化的期待。

 

三安集成张真榕就目前光伏行业热门的210低电压大电流组件发表了看法，他认为随着第三代半导体功率器件的应用，“20A”将很快不再成为逆变器难以逾越的“天堑”，甚至在未来，支撑50A电流的器件也有望应用在逆变器领域。