“两会”刚刚闭幕，中国的“双碳”政策赢得了世界关注，一场关乎电网革命正在加速推进，而碳化硅技术正处于这场革命的风暴眼。
“电网对碳化硅器件需求应该会比新能源汽车还大”，而随着雄安新区碳化硅柔性变电站示范工程即将落地，这一巨大市场需求开始露出冰山一角。
究竟电网碳化硅的需求有多大？为什么碳化硅可以助力新型电力系统？国产碳化硅在电网中的应用如何？行家说就此采访了中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员邱宇峰。
雄安新区将建成采用国产6500V碳化硅器件的柔性变电站
多个国重项目推动国产碳化硅器件在电网的应用
最近，行家说启动了《2022碳化硅产业调研白皮书》调研工作。
据邱宇峰分析，“碳化硅产业会有两波应用浪潮，第一波在电动汽车领域，第二波在电网领域，而未来电网的需求将比新能源汽车更大。”
邱宇峰：中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员
能源安全是全球各国政府关注的焦点，今年“两会”再次把能源安全写进政府报告。向清洁可再生能源转型是实现能源安全的重要举措，而转型的关键是要大量采用由电力电子器件构成的柔性交直流输电设备（后文将展开分析），为此需要构建自主可控的本土硅基IGBT和碳化硅器件供应链。
邱宇峰曾担任国家电网全球能源互联网研究院院长，而且负责了多个与电网碳化硅相关的国家重点研发计划项目，比如大功率SiC MOSFET产业化、18kV SiC IGBT模块开发等。
据他透露，2022年国重项目又布局了一个与电网相关的中低压碳化硅项目——“3300-6500V SiC MOSFET器件产品化开发和工程化应用，其应用包括高铁和智能电网两个领域，整体目标是在‘十四五’期间，实现中低压碳化硅器件的商业化量产。”
而且国产碳化硅器件的研发也取得了突破性进展，即将在电网中得到示范应用。邱宇峰告诉行家说，“今年国网将在雄安新区建设一个全碳化硅的电力电子柔性变电站，采用的是全国产的6500V/400A的SiC MOSFET模块。”
中低压碳化硅器件将批量应用
万伏千安级碳化硅器件是未来方向
事实上，除了中国外，其他国家和地区对电网用碳化硅技术的研究也非常热衷。
部分国家和地区的电网碳化硅技术项目 来源：行家说
而一些电力系统设备供应商也早就开发了碳化硅方案，ABB集团甚至在2000年的愿景中表示，要将所有高压转换器转换为碳化硅。
电网所采用的碳化硅器件分成两类，一类是中低压的SiC MOSFET器件，电压范围为1200V-6500V。邱宇峰告诉行家说，“这类碳化硅器件主要用在配电网，比如分布能源的光伏逆变器、储能PCS等。”
据其分析，未来配网实现有源化之后，交流和直流的连接必须采用柔性的电力电子变换设备，而3300V中低压的国产碳化硅器件，未来三五年内能够进入批量化的应用。
ABB硅基6.5kV、300A牵引模块(上)；Wolfspeed 1200V SiC MOSFET(中)；ABB晶闸管（下）
来源：瑞士苏黎世理工大学
第二类是高压大电流碳化硅器件，主要应用于电网输电环节的大容量变换设备。邱宇峰认为，“这个环节也需要用碳化硅来取代现在的硅基器件，国内已经开展了多个项目进行研发，目标是将碳化硅器件做到万伏级。”
据了解，2021年12月7日，国家重点研发计划项目“碳化硅大功率电力电子器件及应用基础理论研究”项目综合绩效评价会议在北京举行。该项目由全球能源互联网研究院有限公司牵头，项目负责人邱宇峰在会上做了汇报。
经专家评议，该项目的实施，取得成果包括18kV SiC IGBT用全结构多层外延材料、国内首枚18kV/12.5A SiC IGBT芯片、国际上功率最大的18kV/125A压接型SiC IGBT器件、国际上首次完成18kV SiC IGBT器件在24kV母线电压的串联应用验证。
邱宇峰认为，未来碳化硅器件真正要能在电网中应用就需要做到得万伏千安级，“按照国家科技部制定的总体目标，‘十四五’末期万伏千安级碳化硅器件会出样品，到2030年万伏千安级碳化硅器件能实现示范工程小批量应用，2035年左右应该能够实现商业化应用。”
他坦率表示，万伏千安级碳化硅器件的开发相当难，但是它一定是方向，电网应用一定会朝这个方面去发展。
在需求量方面，目前电网应用的电力电子设备只是作为解决“特需”的手段，因而目前电力电子设备（柔性交/直流输电设备）在电网中的应用的还不多。但随着分布式电源进入配网，形成有源配网后，电力电子技术将成为刚需。“一旦变成刚需，电网对碳化硅的需求量，相比现在将是数量级大幅增加。”
据某文献统计，一个柔性直流输电换流站需采用810个1.5kV硅基开关元件。据国家电网分析，张北柔直电网工程的一个四端直流电网，约需要采用4万只IGBT器件。
柔性直流输电换流站采用硅基开关元件数量
如果采用18kV SiC IGBT，一只可以替代4只4500V硅基IGBT，约需要1万只18kV SiC IGBT。而且由于电网碳化硅器件尺寸大，因此一旦起量，将非常考验碳化硅衬底的产能供应。
邱宇峰认为，从未来电网的总需求来看，按照目前的碳化硅产能布局，整体供应是非常不足的，缺口相当大。“相关企业还得在这方面早做准备”。
《2021第三代半导体调研白皮书》对国内的碳化硅项目进行了全面统计，公开报道的碳化硅衬底相关项目有43个（部分项目未建或中止），而进入2022年又有众多碳化硅衬底项目在加快建设。3月16日，根据中建一局消息，上海天岳的碳化硅半导体材料项目已经封顶。该项目总建筑面积9.5万平方米，总投资25亿元，达产后可年形成30万片导电型碳化硅衬底的生产能力。
两会推动电网变革
柔性交/直流输电成关键技术支撑手段
能源低碳转型包含两方面含义，一是改变能源的生产方式，二是改变能源的消费方式，主要的标志是用光伏和风电等清洁可再生能源，取代传统的化石能源。
电网是能源的生产、传输、消纳、利用的主要载体，邱宇峰认为，在大陆“双碳”目标的实现过程中，电网发挥着重要作用，电力系统必须要进行一场深刻的变革转型，而电网转型的一个突出特征是大量采用柔性交/直流输电技术。
柔性直流输电是基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC），由换流站和直流输电线路构成。它被誉为世界上灵活性最高、适应性最强的新一代输电技术，是支撑能源转型和新型电力系统构建的重要技术手段。
未来，电网需要并网消纳大量的分布式清洁能源和储能，势必要求电网需要具备更强、更灵活的调节、控制以及输送路线选择能力，而目前的高压交流并网技术无法满足需求，亟需在输电网和配电网中大量采用柔性交/直流输电技术，而这将是碳化硅材料和器件技术的“舞台”。
常见的微电网 来源：北京航空大学
目前，高压输电方式主要有三种：交流、常规直流、柔性直流。
与高压交流输电相比，常规直流输电具备优势，比如导线设置成本可减少33%，可提高了用电效率和电能质量。但也有缺点，由于它使用晶闸管，灵活性较差，控制能力较差，最重要的是，它需安装大量的滤波装置来消除，因此占地面积比交流输电要大两倍以上，尤其不适合风电场和城市配电网使用。
换流站与电力电子器件 来源：瑞典皇家理工学院
而柔直输电可节省交流滤波器场的用地，据测算，相比常规直流输电，它可节约20%用地。
交流输电变流站（左）与柔直变流站（右） 来源：ABB
分析机构预测，2024年，高压直流输电市场预计将从2018年的82亿美元增至123亿美元，复合年增长率为6.9%，增长动力主要来自于对柔直输电技术的需求不断增长。
而受市场的拉动，2025年高压直流换流站市场规模预计将增至39.4亿美元，2020-2025年的复合年增长率接近11%。
但是受造价影响，目前柔直输电的优势无法凸显。这因为它主要使用硅基IGBT，而目前硅基IGBT的制作难度较大，其成本占柔直换流阀价格的40%左右。而更为重要的是迄今硅基IGBT最高电压水平是4500V，因此应用在电网中必须进行大量的串联，这就提高了电力电子装置的复杂性，同时也降低了灵活性和可靠性，也导致目前柔直换流站的单位成本是常规直流输电的1.5倍左右。
以远海风电并网为例，基于硅器件的换流装备的体积和重量大，导致海上换流平台占工程总成本30%，造价高达10亿元人民币以上。而由于工程造价高，导致远海风电开发不具备经济性，未来大陆规划远海风电总容量超过4000万千瓦，想实现这样的目标需要采用新型碳化硅电力电子技术。
三峡如东海上换流站
碳化硅:
减少82%器件、损耗降低40%
SiC器件的优势在于高压(达数万伏)、高温(大于500℃)，可突破硅器件在电压(数kV)和温度(小于200℃)等方面的局限性。
电网电力电子器件逐代演进 来源：邱宇峰演讲PPT
邱宇峰认为，电网要实现从传统的电力系统向灵活可控的电力电子化的电力系统转变，硅基器件是难以担当此重任的，必须靠碳化硅。如果采用万伏千安级的碳化硅器件，可使换流器体积重量减小一半以上，从而大大降低平台造价。
以他所负责的18kV SiC IGBT项目为例，“一只碳化硅器件可以代替四只硅基器件，串联数量理论上可以减少3/4。”
6.5kV硅基IGBT方案（左）与10kV SiC MOSFET方案串联数量对比
来源：美国国家标准与技术研究院 (NIST)
实际上碳化硅单只器件的电压还可以再高，远不止18kV，“根据评估过可以做到30kV，万伏级碳化硅器件用在10kV 配电网中，基本上不用串联，这将大大减少换流器的器件串联数量，还可解决硅基IGBT存在的效率低和频率低的问题。”
GeneSiC半导体总裁Ranbir Singh曾断言，超高压 (>10 kV) SiC器件技术将在下一代公用电网中发挥革命性作用。
电力电子器件技术演进 来源：美国电力研究协会
某文献甚至还进行了40kV碳化硅晶闸管研究，在±800kV、5000A直流工程中，单级200kV换流阀需采用67只硅晶闸管，而换用碳化硅器件只需采用12只，且可减少37%至41%的能耗，大大降低对冷却设备的要求，缩小系统体积，降低工程造价。
硅基与碳化硅基电网逆变器电路尺寸和成本对比
碳化硅在助力电网节能减排方面也非常值得期待。某文献设计了一个基于SiC MOSFET的22kW三相spwm逆变器系统，开关频率为15khz时，硅基IGBT逆变器的开关损耗达到675.963W，而SiC MOSFET逆变器为386.35w，减少了42%。
根据GeneSiC半导体的研究，与市售的6.5 kV/25 A Si IGBT 相比，SiC BJT的开启能量损耗降低了19倍，关断能量损耗降低了25倍。
国产碳化硅需要“领头羊”
电网变革需要全产业链共同发力
建设新型电力系统、实现“双碳”目标，是一场全方位变革，是极具挑战性、开创性的战略性工程，需产业链上下游企业发挥自身优势、主动变革突破，同时还需要政府部门、行业组织、用户的共同发力。
尽管国家电网已经推进了多个电网碳化硅项目，邱宇峰认为，但光靠“国家队”也不行，还得靠做光伏逆变器、储能PCS、中低压能量路由器等企业提早进行布局探索。“下游应用企业要有前瞻性，提早去布局碳化硅器件的应用，提早去研究怎么把碳化硅器件用好”。
他认为，国产碳化硅器件技术的前期研发已经积累很多了，目前也已经到了工程批，特别是低压碳化硅器件。
碳化硅衬底方面，邱宇峰透露，国产衬底这几年进步非常大，尤其是以天岳先进为代表的企业，包括天科、同光等现已能供货的衬底企业，已经能够解决了我们国家碳化硅衬底卡脖子问题，而且还获得了不少国外订单。天岳先进这些年做了很多的努力，现在衬底已经发展到6吋，这是非常好的降低器件成本的驱动力，只有成本降低了，碳化硅才能被更多地应用，技术迭代过程才能尽快完成。
邱宇峰呼吁道，现在亟需应用端的支持，通过广泛的应用，去加速国产碳化硅器件技术的迭代，让它快速成熟起来，碳化硅应用一旦打开，整体成本也将大幅下降。
但他感叹道，现在开拓电网用碳化硅器件的一个问题是缺乏一个“类似特斯拉在电动汽车领域带头应用碳化硅器件那样的领头羊企业。”
不过，据行业人士反馈，一些企业已经在布局。比如阳光电源计划在2025年推车碳化硅逆变器二代产品，方向是体积仅为现有IGBT体积的1/4，重量是现在的1/3，成本只有现在的75%，500kw产品的重量只有85公斤。华为也在开发自己的碳化硅逆变器。
不过，碳化硅器件在微电网的应用还处于出击阶段，在取代硅基IGBT之前，还有许多工作要做，比如解决碳化硅器件的成本、电磁干扰、高额定功率以及封装材料技术等，这样才能真正为柔性交/直流输电的应用拓展带来新的机遇。