碳化硅在电力电子器件中的应用

冯华林

摘 要：碳化硅材料可用于各种耐高温的高压大功率场合，主要优点有：热稳定性好、热导率高、击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度快等，因而在电力电子技术中应用前景广阔。当前，碳化硅（SiC）已经广泛应用在静止无功补偿器和高压直流输电等电力电子装置。

关键词：碳化硅；电力电子；静止无功补偿器；高压直流输电

1 前言

自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，半导体器件在结构设计、工艺流程以及材料品质等方面取得了世人瞩目的成就。与此同时，技术的进步也使得传统晶体硅器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本证极限，如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等。

碳化硅（SiC）所具有的一个先天优势是可以形成自然的氧化层（SiO2），这使得碳化硅器件可轻易地继承在硅器件中已广泛使用的金属-氧化物-半导体（MOS）结构以及相关技术。用碳化硅材料制造的电力电子器件，其优势在于具有最高工作温度大于500℃，且耐高壓（数万伏）；当额定阻断电压相同时，与硅器件相比，碳化硅功率开关器件通态电阻很低，同时其工作频率也要高10倍以上。

2 碳化硅的性质

碳化硅又称碳硅石，在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火材料中，碳化硅是应用最为广泛、最为经济的一种。根据其用途，碳化硅又被称为耐火石或金刚石。碳化硅是由碳和硅原子组成的唯一稳定的固态化合物，属于IV（A）-IV（A）族共价化合物。由sp3键结合在一起的C-Si呈四面体排列，其具有类似于金刚石的六面体结构；碳化硅的晶体结构决定其具有众多优异性能，如碳化硅的耐腐蚀、高机械强度、化学稳定等性能。碳化硅的硬度仅次于金刚石，属于硬质材料。碳化硅的晶体结构亦表明其具有多种同质多型体，迄今为止，碳化硅的同质多型体已达250种以上。

碳化硅具有多种晶型，但主要分为如下两大类：α-SiC和β-SiC。其中β-SiC被称为立方碳化硅，3C-SiC碳化硅具有众多同分异构体，而β-SiC是其中唯一的立方结构晶体；α-SiC则是其他六方晶系纤锌矿型结构和菱形结构碳化硅的统称。碳化硅的构成遵循严格的化学计量，对于β-SiC来说，硅与碳的比重（Si∶C）为1.049，而对于α-SiC，硅与碳的比重（Si∶C）则为1.032。此外，α-SiC沿主对称轴的位移仅为硅原子相邻两层间距的四分之一，硅原子与碳原子的最小间距为0.189nm。β-SiC易成核且需要的生长温度较低，这是由于其键能小、晶格自由能大。同时，碳化硅不同多型体间的热稳定性也不尽相同：α-SiC是高温稳定型，而β-SiC则是低温稳定型。Si、3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的性能参数比较如表1所示。

3 SiC器件在电力电子中的应用

电能有着安全经济、使用方便，并且易转化为其他形式能量的优点，是当代社会中一种优质的能源，在现代社会和经济发展中，电能发挥着举足轻重的作用。随着经济发展和工业技术的发展，在电力、工业生产、轨道交通等领域，种类丰富的用电设备得到了广泛应用。

在我国当前能源十分紧张的情况下，电能无法满足所有用电设备的需要，因而电力电子技术这门学科应运而生，此学科旨在研究对电能进行变换，自其产生至今已有半个多世纪，因其对国民经济具有显著作用，引起国内外学者的极大关注，发展极其迅速，应用范围日趋广泛，几乎涉及供配电的所有领域。

电力电子器件的功率变换能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低，高性能的控制实现起来就越发困难。随着电力半导体技术的发展和制造工艺的完善，开关器件的性能也有了大幅提高，这促使在高电压领域中SiC得以大量应用。

在电力行业，随着经济的不断发展，对电能的需求与日俱增，特别是“三峡工程”和“西电东送工程”柔性交流传输系统，高压直流输电系统已经成为当前电力工业领域的热门话题。SiC已经广泛应用在静止无功补偿器和高压直流输电等电力电子装置。

3.1 静止无功补偿

静止无功发生器（简称为SVG）又称静止同步补偿器，是一种通过自换相的电力半导体桥式变流器进行动态无功补偿的装置，或高压动态无功补偿发生装置。与传统的调相机、电容器电抗器、传统SVC（以晶闸管相控变压器TCR为代表）等方式相比，SVG有着无可比拟的优势，在当前无功功率控制领域内，SVG亦是最佳方案。

目前，GTO、IGBT及IGCT等全控型器件已广泛作为静止同步补偿器（STATCOM）的开关。以IGCT为例，尽管其耐压可达6.5kV，通断电流可达4000A，但在输电系统中，IGCT的电压电流等级仍然偏低，为提高耐压能力，我们可采用多电平变换器拓扑或器件串联的方式。

3.2 高压直流输电

随着电力电子技术的发展，特别是晶闸管的出现，这促使高压直流输电技术得以迅速发展，采用晶闸管后，高压直流输电的电压等级从500 kV提高到800 kV。2010年，世界首个800 kV/4750A特高压直流输电工程在我国成功投产、运营。目前，我国正抓紧研发1100 kV的特高压直流输电技术。换流阀工作时要承受极高的电压电流：高达几百kV的电压和高达几千安的电流，因而导致传统的晶闸管换流阀面临众多元件串联和导通损耗大的难题。得益于碳化硅电力电子器件技术的发展，新型碳化硅SiCGT、GTO得以成功研发，其具有容量更大、工作温度更高和功率密度更高的显著优点。新型碳化硅器件的应用，提高了单个器件的耐压性能，不仅简化了换流阀的结构，也显著降低了对电力电子器件的数量需求，同时降低了损耗，有利于高压直流输电技术的发展和普及。

4 结论

当前，学术界和工业界对碳化硅半导体器件的优越性能及其巨大潜力有着足够重视和兴趣，碳化硅器件的研发和产业化方面因此得到蓬勃发展，并取得了重大突破。碳化硅半导体器件的出现，恰逢顺应当前国内外节能减排的发展趋势，因而有着显著的发展优势。可以预见，耐高压、大容量的碳化硅功率器件将在高压电力变换领域中获得广泛应用和普及。当然，与硅器件相比，碳化硅材质的电力电子器件不仅提高了器件的耐压能力，还能大幅降低功率消耗，其具有显著的节能减排优势。我们通过测试已上市的碳化硅肖特基势垒二极管和其他碳化硅功率器件（仍在实验室研究阶段），均证实碳化硅功率器件能大幅降低功率消耗。碳化硅作为电力电子器件的一种新制造材料，也充分证明电力电子技术的发展有利于社会节能减排，促进和谐社会。此外，与硅器件相比，碳化硅器件能够兼顾器件的功率、频率以及耐高温性能，这也是碳化硅与硅竞争的另一显著优势。

参考文献

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（作者单位：西北民族大学）