碳化硅電力半導體器件在現代電力系統的應用及展望

陳明會，王春寧，武　浩

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

電力電子技術經過近幾十年的迅猛發展，已經深入到社會發展和國民經濟建設的各個環節，擔當著基礎而且極其關鍵的技術角色。電力電子裝置廣泛應用在現代電力系統中，比如大功率高性能的DC/DC變流器、可再生能源的并網逆變器、高壓直流輸電和交流配電系統等。這些裝置都具有一系列優點：較小的體積和重量、較快的響應速度、較高的控制精度等。但是在大電壓和大功率量級方面，硅基電力電子器件有一定的限制，為了適應實際要求往往就會把主電路的拓撲結構做得很復雜，從而使裝置的可靠性不高，成本和損耗也會加大，再加上受限制于材料，大多數器件的電學方面性能已經達到理論極限。所以，目前越來越多的學者開始轉而研究和開發寬禁帶半導體材料的電力電子器件。

所謂的寬禁帶半導體材料，其主要構成材料為碳化硅(SiC)和氮化稼( GaN)，這兩種材料優勢明顯，尤其是在物理和電學方面。它們的擊穿電場強度和禁帶寬度，分別是普通硅材料的8倍和3倍。因此，其導通比電阻極低，開關速度和頻率也較高，同時，其最大理論工作溫度也是硅材料的4倍，這就能夠有效改善散熱系統，更高加強功率密度。21世紀初，已經有SiC材料的電力電子器件開始商用，比如4H-SiC肖特基二極管，這種器件最先應用于低壓領域。隨后，相應的高壓SiC器件也借著技術的進步慢慢問世，而兆瓦級的電力電子器件，這種人們長期以來期望的，也已經變成可能。目前，以SiC為材料的電力電子器件正在蓬勃發展，在現代電力電子系統中，它們的作用將會越來越明顯。

1　SiC功率器件的特性

SiC功率半導體器件與普通的硅材料半導體器件相比，具有的優良特性有:

(1)寬帶隙(不同聚合物可以高達3.2 eV，如4H-SiC);

(2)高熱導率(最高可達4.9 W/ (cm·K));

(3)高工作溫度(最高可達到1 000℃);

(4)高雪崩臨界擊穿電場(可達5 MV/cm) ;

(5)高化學穩定性和抗輻照特性。

SiC功率器件的這些優良特性，很好地滿足了電力系統對電力電子技術方面的要求。不僅如此，其開關和導通損耗都很低，因此受到越來越多人的關注。到目前，隨著研究的逐步深入，一些諸如SiC金屬氧化物MOSFET和SiC肖特基二極管SBD等SiC功率器件已經慢慢地實現商業化。

2　SiC功率器件的發展現狀

在功率半導體器件方面， SiC材料正由于其寬禁帶和高溫穩定性的顯著優勢，在民用和軍用電力電子行業方面都得到了廣泛地應用，比如光伏逆變器和電磁炮等，其性能都得到了有效提升，所以在將來的電力系統中，SiC功率器件的影響也一定會更加深遠。在世界各地，以美國、日本和歐盟為主導，寬禁帶半導體(SiC和GaN)功率器件和電力電子裝置得到進一步發展。美國在2014年成立了NGPEI，即下一代電力電子創新聯盟；日本的新能源及產業技術綜合開關機構NE-DO和歐盟的碳化硅電力電子技術應用計劃ESCAPEE，在SiC功率器件方面都已進行了十幾年的研究。

進入21世紀，世界各國更是對SiC功率器件慢慢實現了產業化，SiC二極管首先在2010年的德國英飛凌完成了產業化，SiC MOS-FET在2010年由美國科銳公司和日本羅姆公司完成。2011年美國SemiSouth公司實現了SiC JFET的產業化，2013年美國GeneSiC公司實現了1200～1700 V/SiC BJT的產業化。目前，國外600～1 700 V/50 A SiC二極管、1 200～1 700 V/單管電流20 A、模塊電流100 A以上SiC MOSFET ,JFET和BJT器件已經產品化;22 kV SiC PIN二極管、15 kV SiC MOSFET、24 kV SiC IGBT、22 kV SiC GTO實驗樣品也已被研制和報道。

我國對寬禁帶半導體器件的研制相對晚一些，在國家973計劃和863計劃的激勵下，從2007年才慢慢開始，但是卻取得了矚目的成就，在相關寬禁帶半導體器件研究方面，發現并推出這樣兩大理論：寬禁帶半導體器件優值理論和寬禁帶半導體功率雙極型晶體管特性理論。在對寬禁帶半導體器件的研發上，我國也有了突破，比如600～3 300 V/50 A的SiC肖特基二極管芯片和場效應單管芯片，不但研制成功，而且完成了商業化。

3　SiC功率器件在現代電力系統中的應用展望

事實上，電力電子器件和相關應用裝置，應用到了現代電力系統的很多方面，如光伏和風力發電、直流輸電和配電等系統中。

3.1　風力發電系統

風力發電是在20世紀90年代才慢慢開始的，近些年風力發電技術不斷地發展進步，目前其技術已經相當完善。

變流器在風力發電系統中至關重要，它的作用是通過整流器和逆變器，把風能轉化為符合要求的電能，而轉化而來的電能的電壓、頻率和相位指標，直接決定了發電的效率，以及發電的安全可靠性。原先的變流器拓撲結構主要為兩電平和三電平，目前已轉向了多電平結構，在很大程度上改善了線路損耗。如果把SiC功率器件應用其中，由于其優良的特性，那么風力發電系統將得到進一步改善升級。比如Romh公司在2012年研制出SiC MOSFET功率模塊，由此模塊組成的大功率逆變器，其應用電路拓撲結構更簡單，而且裝置的體積和成本，與以往相比，大大降低，運行也更高效。

3.2　光伏發電系統

光伏發電系統主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統等設備組成。

光伏發電的原理就是基于光伏電池的光生伏特效應，然后通過裝置把光能變成可供使用的電能。光伏發電系統的主要部分有：光伏電池和蓄電池組、控制器和逆變器、變壓器和測量器件等。

對太陽能的研究開發，從20世紀70年代就已經開始，到2016年，全球新增的光伏發電裝機容量已經接近66.7 GW，而目前太陽能迅猛發展的勢頭仍然有增無減。雖然發展迅速但目前仍有一些技術問題亟待解決，比如不穩定的輸出功率、較高的成本和損耗、較小的功率密度等。而不斷發展的SiC功率器件技術將能逐漸解決上述問題，電能質量也會隨著開關頻率的升高而更加優良。

3.3　柔性直流輸電技術

柔性直流輸電技術應用在現代電力系統中，不但能夠使可再生能源得到充分利用，而且有利于提升電網運行效率和推動現代電網進一步智能化。

在柔性直流輸電技術中，換流站正常情況下往往需要非常高的電壓和電流，一般能達到幾百千伏和幾千安培，所以對于傳統的IGBT器件來說，都有著諸如動態均壓難度大和導通損耗較大等缺陷。而新型的SiC IGBT、SiC GTO等寬禁帶半導體器件，隨著技術的進步，在容量和功率密度方面進一步提高，這無疑有利于彌補這些缺陷，而且柔性直流輸電的電壓等級和容量也會隨之提升。

3.4　電能路由器

能量路由器最早是在2008年由美國的北卡萊羅納州立大學提出來的，當時學者推出一種理論框架，即在電力系統中，融合電力電子技術和信息技術的優勢，就如同網絡技術中的核心路由器一樣，在將來，實現配電網層面的能源互聯網。

美國北卡羅萊納州立大學在能量路由器理念的基礎上，開發出了第一代固態變壓器電路拓撲。這個電路拓撲包括三大部分，分別是高壓級、隔離級和低壓級，這三個等級通過直流母線連在一起。多個橋模塊級聯組成高壓級部分，其中全橋模塊就是由傳統硅材料的IGBT構成。這就存在這樣一個問題：限于目前的大功率器件，這種多個模塊的結構抗壓性差，而且開關頻率很低。這就造成電能路由器在動態性能方面表現不佳，而且體積和噪聲都相當大。這個問題主要是由多個全橋模塊的器件組成帶來的，要想解決就得采用單個模塊。如果采用高壓的SiC MOSFET器件，就可以用單個模塊組成高壓級和隔離級，而且由于其阻斷電壓和開關頻率，分別能達到10 kV和20 kHz，使開關速度更快，損耗更小，系統結構會更簡單高效。

3.5　直流固態斷路器

在現代電力系統中，直流配電技術具有很多優勢，比如電能的運行成本和損耗更低，電能質量更加優良，系統更加高效等。不僅如此，還能使分布式能源的效益在大電網中得到更充分地利用。但是限制于種種的關鍵技術，直流配電技術還不是目前電力系統的主流技術，而直流斷路器技術就是其限制之一。

現在的直流固態斷路器主要為傳統硅材料的功率器件，之前受到研究者歡迎是因為它具有較快的分斷速度和較高的工作頻率等顯著特點，但是隨著研究深入，也暴露出了一系列問題：較高的通態損耗、單管器件電壓電流不穩定、設計復雜等。這就使得在直流固態斷路器的進一步開發和實踐上很難再有突破。

以SiC為代表的寬禁帶半導體器件不斷引起學者和研究者深入其中，尤其在最近幾年發展的勢頭猛烈，因為其工作電壓和功率密度都較高，而且，損耗小、工作速度快，所以越來越多的學者和研究者想把它們應用在大容量、高壓、高頻、高溫等領域。若寬禁帶半導體器件廣泛應用在直流固態斷路器中，那么以傳統硅基材料組成的直流固態斷路器的一系列問題將得到解決。

目前學者剛剛開始研究把寬禁帶半導體器件應用于直流固態斷路器中，圖1給出一種SiC SIT固態斷路器的拓撲結構，是Yukihiko Sato等人在2014年推出的SiC靜態感應晶體管(SIT)低壓固態斷路器，這種結構可以應用在400 V的直流系統中。通過實驗發現，這種斷路器斷流能力較強，而以前的斷路器在斷流過程中出現的暫態電壓電流不穩定的問題，也能得到改善。圖2是一種基于常通型SiC JFET的直流固態斷路器的主電路，該電路是由湖南大學的沈征教授在2015年提出的。這種直流固態斷路器也是應用于400 V系統中，且是自供電，反應迅速。所以，在SiC功率器件的發展和推動下，直流配電技術必將得到更深層次的發展和利用。

圖1　SiCSIT固態斷路器拓撲結構

圖2　SiCJFET固態斷路器

4　結束語

碳化硅功率器件正處在一個蓬勃發展的時機，在迎來巨大機遇的同時，也面臨著諸多挑戰。擁有著較低的損耗、較高的導熱率和功率密度的顯著優勢，它將推動現代電力系統朝著更健康的方向發展。目前由于其稀少且產量低，成本相應較高，但是器件發展在不斷地完善，等到碳化硅功率器件普及后，電力電子技術迎來新的歷史時機，不斷推動電力系統發展進步。

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