“兩會”剛剛閉幕，中國的“雙碳”政策赢得了世界關注，一場關乎電網革命正在加速推進，而碳化矽技術正處于這場革命的風暴眼。
“電網對碳化矽器件需求應該會比新能源汽車還大”，而随着雄安新區碳化矽柔性變電站示範工程即将落地，這一巨大市場需求開始露出冰山一角。
究竟電網碳化矽的需求有多大？為什麼碳化矽可以助力新型電力系統？國産碳化矽在電網中的應用如何？行家說就此采訪了中國電機工程學會電力系統電力電子器件專委會主任委員邱宇峰。
雄安新區将建成采用國産6500V碳化矽器件的柔性變電站
多個國重項目推動國産碳化矽器件在電網的應用
最近，行家說啟動了《2022碳化矽産業調研白皮書》調研工作。
據邱宇峰分析，“碳化矽産業會有兩波應用浪潮，第一波在電動汽車領域，第二波在電網領域，而未來電網的需求将比新能源汽車更大。”
邱宇峰：中國電機工程學會電力系統電力電子器件專委會主任委員
能源安全是全球各國政府關注的焦點，今年“兩會”再次把能源安全寫進政府報告。向清潔可再生能源轉型是實作能源安全的重要舉措，而轉型的關鍵是要大量采用由電力電子器件構成的柔性交直流輸電裝置（後文将展開分析），為此需要建構自主可控的本土矽基IGBT和碳化矽器件供應鍊。
邱宇峰曾擔任國家電網全球能源網際網路研究院院長，而且負責了多個與電網碳化矽相關的國家重點研發計劃項目，比如大功率SiC MOSFET産業化、18kV SiC IGBT子產品開發等。
據他透露，2022年國重項目又布局了一個與電網相關的中低壓碳化矽項目——“3300-6500V SiC MOSFET器件産品化開發和工程化應用，其應用包括高鐵和智能電網兩個領域，整體目标是在‘十四五’期間，實作中低壓碳化矽器件的商業化量産。”
而且國産碳化矽器件的研發也取得了突破性進展，即将在電網中得到示範應用。邱宇峰告訴行家說，“今年國網将在雄安新區建設一個全碳化矽的電力電子柔性變電站，采用的是全國産的6500V/400A的SiC MOSFET子產品。”
中低壓碳化矽器件将批量應用
萬伏千安級碳化矽器件是未來方向
事實上，除了中國外，其他國家和地區對電網用碳化矽技術的研究也非常熱衷。
部分國家和地區的電網碳化矽技術項目 來源：行家說
而一些電力系統裝置供應商也早就開發了碳化矽方案，ABB集團甚至在2000年的願景中表示，要将所有高壓轉換器轉換為碳化矽。
電網所采用的碳化矽器件分成兩類，一類是中低壓的SiC MOSFET器件，電壓範圍為1200V-6500V。邱宇峰告訴行家說，“這類碳化矽器件主要用在配電網，比如分布能源的光伏逆變器、儲能PCS等。”
據其分析，未來配網實作有源化之後，交流和直流的連接配接必須采用柔性的電力電子變換裝置，而3300V中低壓的國産碳化矽器件，未來三五年内能夠進入批量化的應用。
ABB矽基6.5kV、300A牽引子產品(上)；Wolfspeed 1200V SiC MOSFET(中)；ABB晶閘管（下）
來源：瑞士蘇黎世理工大學
第二類是高壓大電流碳化矽器件，主要應用于電網輸電環節的大容量變換裝置。邱宇峰認為，“這個環節也需要用碳化矽來取代現在的矽基器件，國内已經開展了多個項目進行研發，目标是将碳化矽器件做到萬伏級。”
據了解，2021年12月7日，國家重點研發計劃項目“碳化矽大功率電力電子器件及應用基礎理論研究”項目綜合績效評價會議在北京舉行。該項目由全球能源網際網路研究院有限公司牽頭，項目負責人邱宇峰在會上做了彙報。
經專家評議，該項目的實施，取得成果包括18kV SiC IGBT用全結構多層外延材料、國内首枚18kV/12.5A SiC IGBT晶片、國際上功率最大的18kV/125A壓接型SiC IGBT器件、國際上首次完成18kV SiC IGBT器件在24kV母線電壓的串聯應用驗證。
邱宇峰認為，未來碳化矽器件真正要能在電網中應用就需要做到得萬伏千安級，“按照國家科技部制定的總體目标，‘十四五’末期萬伏千安級碳化矽器件會出樣品，到2030年萬伏千安級碳化矽器件能實作示範工程小批量應用，2035年左右應該能夠實作商業化應用。”
他坦率表示，萬伏千安級碳化矽器件的開發相當難，但是它一定是方向，電網應用一定會朝這個方面去發展。
在需求量方面，目前電網應用的電力電子裝置隻是作為解決“特需”的手段，因而目前電力電子裝置（柔性交/直流輸電裝置）在電網中的應用的還不多。但随着分布式電源進入配網，形成有源配網後，電力電子技術将成為剛需。“一旦變成剛需，電網對碳化矽的需求量，相比現在将是數量級大幅增加。”
據某文獻統計，一個柔性直流輸電換流站需采用810個1.5kV矽基開關元件。據國家電網分析，張北柔直電網工程的一個四端直流電網，約需要采用4萬隻IGBT器件。
柔性直流輸電換流站采用矽基開關元件數量
如果采用18kV SiC IGBT，一隻可以替代4隻4500V矽基IGBT，約需要1萬隻18kV SiC IGBT。而且由于電網碳化矽器件尺寸大，是以一旦起量，将非常考驗碳化矽襯底的産能供應。
邱宇峰認為，從未來電網的總需求來看，按照目前的碳化矽産能布局，整體供應是非常不足的，缺口相當大。“相關企業還得在這方面早做準備”。
《2021第三代半導體調研白皮書》對國内的碳化矽項目進行了全面統計，公開報道的碳化矽襯底相關項目有43個（部分項目未建或中止），而進入2022年又有衆多碳化矽襯底項目在加快建設。3月16日，根據中建一局消息，上海天嶽的碳化矽半導體材料項目已經封頂。該項目總建築面積9.5萬平方米，總投資25億元，達産後可年形成30萬片導電型碳化矽襯底的生産能力。
兩會推動電網變革
柔性交/直流輸電成關鍵技術支撐手段
能源低碳轉型包含兩方面含義，一是改變能源的生産方式，二是改變能源的消費方式，主要的标志是用光伏和風電等清潔可再生能源，取代傳統的化石能源。
電網是能源的生産、傳輸、消納、利用的主要載體，邱宇峰認為，在大陸“雙碳”目标的實作過程中，電網發揮着重要作用，電力系統必須要進行一場深刻的變革轉型，而電網轉型的一個突出特征是大量采用柔性交/直流輸電技術。
柔性直流輸電是基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC），由換流站和直流輸電線路構成。它被譽為世界上靈活性最高、适應性最強的新一代輸電技術，是支撐能源轉型和新型電力系統建構的重要技術手段。
未來，電網需要并網消納大量的分布式清潔能源和儲能，勢必要求電網需要具備更強、更靈活的調節、控制以及輸送路線選擇能力，而目前的高壓交流并網技術無法滿足需求，亟需在輸電網和配電網中大量采用柔性交/直流輸電技術，而這将是碳化矽材料和器件技術的“舞台”。
常見的微電網 來源：北京航空大學
目前，高壓輸電方式主要有三種：交流、正常直流、柔性直流。
與高壓交流輸電相比，正常直流輸電具備優勢，比如導線設定成本可減少33%，可提高了用電效率和電能品質。但也有缺點，由于它使用晶閘管，靈活性較差，控制能力較差，最重要的是，它需安裝大量的濾波裝置來消除，是以占地面積比交流輸電要大兩倍以上，尤其不适合風電場和城市配電網使用。
換流站與電力電子器件 來源：瑞典皇家理工學院
而柔直輸電可節省交流濾波器場的用地，據測算，相比正常直流輸電，它可節約20%用地。
交流輸電變流站（左）與柔直變流站（右） 來源：ABB
分析機構預測，2024年，高壓直流輸電市場預計将從2018年的82億美元增至123億美元，複合年增長率為6.9%，增長動力主要來自于對柔直輸電技術的需求不斷增長。
而受市場的拉動，2025年高壓直流換流站市場規模預計将增至39.4億美元，2020-2025年的複合年增長率接近11%。
但是受造價影響，目前柔直輸電的優勢無法凸顯。這因為它主要使用矽基IGBT，而目前矽基IGBT的制作難度較大，其成本占柔直換流閥價格的40%左右。而更為重要的是迄今矽基IGBT最高電壓水準是4500V，是以應用在電網中必須進行大量的串聯，這就提高了電力電子裝置的複雜性，同時也降低了靈活性和可靠性，也導緻目前柔直換流站的機關成本是正常直流輸電的1.5倍左右。
以遠海風電并網為例，基于矽器件的換流裝備的體積和重量大，導緻海上換流平台占工程總成本30%，造價高達10億元人民币以上。而由于工程造價高，導緻遠海風電開發不具備經濟性，未來大陸規劃遠海風電總容量超過4000萬千瓦，想實作這樣的目标需要采用新型碳化矽電力電子技術。
三峽如東海上換流站
碳化矽:
減少82%器件、損耗降低40%
SiC器件的優勢在于高壓(達數萬伏)、高溫(大于500℃)，可突破矽器件在電壓(數kV)和溫度(小于200℃)等方面的局限性。
電網電力電子器件逐代演進 來源：邱宇峰演講PPT
邱宇峰認為，電網要實作從傳統的電力系統向靈活可控的電力電子化的電力系統轉變，矽基器件是難以擔當此重任的，必須靠碳化矽。如果采用萬伏千安級的碳化矽器件，可使換流器體積重量減小一半以上，進而大大降低平台造價。
以他所負責的18kV SiC IGBT項目為例，“一隻碳化矽器件可以代替四隻矽基器件，串聯數量理論上可以減少3/4。”
6.5kV矽基IGBT方案（左）與10kV SiC MOSFET方案串聯數量對比
來源：美國國家标準與技術研究院 (NIST)
實際上碳化矽單隻器件的電壓還可以再高，遠不止18kV，“根據評估過可以做到30kV，萬伏級碳化矽器件用在10kV 配電網中，基本上不用串聯，這将大大減少換流器的器件串聯數量，還可解決矽基IGBT存在的效率低和頻率低的問題。”
GeneSiC半導體總裁Ranbir Singh曾斷言，超高壓 (>10 kV) SiC器件技術将在下一代公用電網中發揮革命性作用。
電力電子器件技術演進 來源：美國電力研究協會
某文獻甚至還進行了40kV碳化矽晶閘管研究，在±800kV、5000A直流工程中，單級200kV換流閥需采用67隻矽晶閘管，而換用碳化矽器件隻需采用12隻，且可減少37%至41%的能耗，大大降低對冷卻裝置的要求，縮小系統體積，降低工程造價。
矽基與碳化矽基電網逆變器電路尺寸和成本對比
碳化矽在助力電網節能減排方面也非常值得期待。某文獻設計了一個基于SiC MOSFET的22kW三相spwm逆變器系統，開關頻率為15khz時，矽基IGBT逆變器的開關損耗達到675.963W，而SiC MOSFET逆變器為386.35w，減少了42%。
根據GeneSiC半導體的研究，與市售的6.5 kV/25 A Si IGBT 相比，SiC BJT的開啟能量損耗降低了19倍，關斷能量損耗降低了25倍。
國産碳化矽需要“領頭羊”
電網變革需要全産業鍊共同發力
建設新型電力系統、實作“雙碳”目标，是一場全方位變革，是極具挑戰性、開創性的戰略性工程，需産業鍊上下遊企業發揮自身優勢、主動變革突破，同時還需要政府部門、行業組織、使用者的共同發力。
盡管國家電網已經推進了多個電網碳化矽項目，邱宇峰認為，但光靠“國家隊”也不行，還得靠做光伏逆變器、儲能PCS、中低壓能量路由器等企業提早進行布局探索。“下遊應用企業要有前瞻性，提早去布局碳化矽器件的應用，提早去研究怎麼把碳化矽器件用好”。
他認為，國産碳化矽器件技術的前期研發已經積累很多了，目前也已經到了工程批，特别是低壓碳化矽器件。
碳化矽襯底方面，邱宇峰透露，國産襯底這幾年進步非常大，尤其是以天嶽先進為代表的企業，包括天科、同光等現已能供貨的襯底企業，已經能夠解決了我們國家碳化矽襯底卡脖子問題，而且還獲得了不少國外訂單。天嶽先進這些年做了很多的努力，現在襯底已經發展到6吋，這是非常好的降低器件成本的驅動力，隻有成本降低了，碳化矽才能被更多地應用，技術疊代過程才能盡快完成。
邱宇峰呼籲道，現在亟需應用端的支援，通過廣泛的應用，去加速國産碳化矽器件技術的疊代，讓它快速成熟起來，碳化矽應用一旦打開，整體成本也将大幅下降。
但他感歎道，現在開拓電網用碳化矽器件的一個問題是缺乏一個“類似特斯拉在電動汽車領域帶頭應用碳化矽器件那樣的領頭羊企業。”
不過，據行業人士回報，一些企業已經在布局。比如陽光電源計劃在2025年推車碳化矽逆變器二代産品，方向是體積僅為現有IGBT體積的1/4，重量是現在的1/3，成本隻有現在的75%，500kw産品的重量隻有85公斤。華為也在開發自己的碳化矽逆變器。
不過，碳化矽器件在微電網的應用還處于出擊階段，在取代矽基IGBT之前，還有許多工作要做，比如解決碳化矽器件的成本、電磁幹擾、高額定功率以及封裝材料技術等，這樣才能真正為柔性交/直流輸電的應用拓展帶來新的機遇。