高压SiC器件在FREEDM系统中的应用

倪喜军

（南京工程学院电力工程学院，南京211176）

高压SiC器件在FREEDM系统中的应用

倪喜军

（南京工程学院电力工程学院，南京211176）

碳化硅SiC（silicon carbide）是目前最为成熟的宽禁带半导体材料之一，在高压、高温、高频等领域，碳化硅器件的研究和应用已成为当前的研究热点。针对碳化硅器件目前的生产使用状况，简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的FREEDM中心的研究情况，重点分析了高压 SiC MOSFET，IGBT，ETO，JFET在 SST（Solid State Transformer）和FID（Fault Isolation Device）中的应用。针对各类器件本身的特性，FREEDM中心有针对性的选择了相关应用领域，并开发了多代SST和FID的拓扑，许多重要的研究成果引领了全球高压SiC器件的研究趋势。

碳化硅SiC；固态变压器；故障隔离装置；三电平NPC；软开关；直流-直流变换器

2008年，美国北卡罗莱纳州立大学Alex Q. Huang教授等效仿网络技术的路由器，文献［1］提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management（FREEDM）”系统结构，率先提出了能源路由器的概念。该FREEDM中心由美国NSF投资6 000万美金建立，并在2014年由美国DOE再次投资1.4亿美金成立全美宽禁带器件研制和应用的领导机构Power America。

FREEDM中心系统结构主要具有以下特征：

（1）主要由DGI（distributed grid intelligence）控制系统的核心部件固态变压器（SST）和故障隔离装置（FID）实现智能控制功能；

（2）系统连接12 kV交流中压配电母线，低压接口电压为DC 380 V及AC±120 V，即交流配电网和直流配电网同时存在；

（3）低压装置为即插即拔型设备，如Distributed Renewable Energy Resource（DRER）和 DistributedEnergy Storage Device（DESD）等，通过直流配电网集成在FREEDM系统中；

（4）数据链路采用DNP3协议（类似IEC61850）进行数据交换，标准开放的分布式电网接口模式。

1FREEDM系统

FREEDM中心系统结构如图1所示。从其定义看，其最核心的固态变压器和故障隔离装置由电力电子器件组成，因此功率器件的性能将决定FREEDM系统应用的成败，开发和应用新型材料器件成为其发展的内在动力。

图1　FREEDM系统的结构Fig.1 Architecture of FREEDM system

近年来，碳化硅材料因其出色的物理及电特性，越来越受到产业界广泛关注，是研究较为成熟的宽禁带半导体材料之一。碳化硅器件的重要优势在于具有极高的绝缘击穿场强（2.5 MV/cm）和饱和漂移速度，与Si相比，能够以更高的杂质浓度和更薄的漂移层厚度制作出600 V至数十 kV的高耐压功率器件。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积漂移层阻抗可以降低到Si的 1/1000。另外，SiC高温（大于500℃）特性和高导热率，突破了硅基功率半导体器件温度（小于175℃）限制所导致的严重局限性，可以应用于更广泛的领域。

随着高压碳化硅功率器件技术的发展，已经研发出了6.5 kV的JFET［2］、15 kV的碳化硅二极管［3］，20 kV的门极可关断晶闸管（GTO）［4］，15 kV的碳化硅MOSFET［3］和15 kV碳化硅IGBT［5］等，如表1所示。这些高压SiC器件的研发成功，将在未来的电力系统微网、交直流输电和FACTs装置，以及电动机车、舰船、光伏发电［6，7］等领域开辟全新的应用方向。

表1　目前已有的SiC器件及其产商Tab.1　Currently existing SiC device and their manufactures

2　15 kV SiC MOSFET的应用

第1代10 kV SiC MOSFET芯片耗尽层厚度为100 μm，面积为0.656 cm2，单芯片额定电流为20 A，单位面积电阻约为100 mΩ/cm2（25℃）。通过技术改进，第2代15 kV芯片耗尽层厚度为150 μm，面积为0.64 cm2，单芯片额定电流为10 A，单位面积电阻约为204 m/cm2（25℃）。当直流母线为6 kV，开关电流为15 A时，FREEDM自制驱动电路的测试结果表明，总的开关损耗约为6.5 mJ（150℃）。由于高压SiC MOSFET体二极管的动态性能较差，常采用如图2所示的电路，在高压MOSFET的漏极串入一个低电压的Si二极管，并在串联体两端并联反向的15 kV SiC JBS二极管，该JBS二极管仅有很小的电容性反向恢复电流，且正向压降也较小。目前，单片15 kV SiC JBS二极管的面积是0.81 cm2，单芯片室温下的电流为40 A，导通压降约为10 V（20 A）。

图215　kV SiC MOSFETT电路及样品Fig.2　Circuit and prototype of 15 kV SiC MOSFET

2.1第2代SST

图3为第2代SST的拓扑［3，8］，相对于第1代SST［9，10］，其主要采用高压15 kV SiC MOSFET取代6.5 kV Si IGBT。其显著的特点是：（1）拓扑电路相对简单，两电平取代3单元级联多电平；（2）开关运行频率高，AC-DC侧电路硬开关的开关频率达6 kHz，而DC-DC变流器软开关频率达20 kHz，但变压器和输入电感体积显著减小；（3）由于开关频率提高，变压器和电感铁芯的开关噪声明显降低，运行环境改善；（4）低功率时的软开关区域仍然相对较小，对高压SiC MOSFET驱动电路的干扰影响大；（5）整个系统的效率大约提高10%以上，达到94%。

目前，第2代SST的运行功率为20 kVA，不仅可以实现高压侧无功补偿、功率双向传送等基本功能，还可实现故障隔离、低压侧电能质量治理等附加功能。在低压侧直流母线接入新能源，并通过合理的控制，可以实现微网调节功能［11，12］。

图3　第2代SST拓扑Fig.3　Topology of Gen-2 SST

2.2第3代SST

针对第2代SST软开关区域小、器件驱动干扰大的缺点，提出了第3代SST，其拓扑如图4所示。该电路可以保证全功率范围内实现软开关，且通过Burst模式可进一步提高电路整体效率，其完善的保护机制保证电路的可靠性［13］。此外，第3代SST交流输入侧采用Dual-buck电路，该电路充分利用SiC二极管可忽略反向恢复过程的优点，在不设置死区时间的前提下，防止桥臂直通故障，尽可能地发挥SiC器件的高频特性。使用该电路后，MOSFET无需串联低压阻断二极管，封装相对简单，杂散电感小。最后，该电路通过使用高压SiC IGBT器件组成工频开关桥臂，可显著降低电路的开关损耗和MOSFET的通态导通压降，提高装置的整体效率。目前，Dual-buck电路硬开关的开关频率达6 kHz，DC-DC变流器高压侧SiC MOSFET软开关频率达40 kHz。

图4　第3代SST拓扑Fig.4　Topology of Gen-3 SST

3　15 kV SiC IGBT的应用

针对MOSFET导通压降大的缺点，IGBT依靠少数载流子注入的调制机理降低器件的导通压降，但该调制也导致了较长的载流子寿命，因此IGBT关断时刻拥有较大的拖尾电流，进而增大了IGBT的开关损耗，使其实际运行的开关频率相对MOSFET降低。如图5所示，第1代15 kV SiC IGBT芯片面积为0.45 cm2，单芯片室温下的电流为40 A，导通压降为6.1 V（32 A），VGE=20 V。由于IGBT制作工艺相对MOSFET复杂，SiC IGBT的成品率仍然较低，目前CREE的IGBT供货情况不是很明朗，还有待提高和改进。

文献［14］提出了基于SiC IGBT的三电平NPC 型SST，图6所示。该三电平NPC通过器件的串联实现高耐压，同时通过多电平调制方式可提高总电路的等效开关频率，有效地降低器件的电压应力和开关损耗。相对其他多电平方式，该电路相对简单，且控制和调制策略成熟。其主要的难点在于高频变压器设计、高压器件驱动技术、安全隔离布置等。

图515　kV SiC IGBT样品Fig.5　Prototype of 15 kV SiC IGBT

图6　基于15 kV SiC IGBT的三电平SSTFig.6　Three-level SST based on 15 kV SiC IGBT

4　20 kV SiC ETO的应用

FID是未来智能能源互联网的另外一个重要装置，其性能优劣将极大影响能源互联网的整体运行性能。FREEDM的第1代FID［15］采用6.5 kV IGBT，其主要的问题是体积大，驱动电源接线复杂且隔离要求高，关断损耗极大。随着SiC器件的发展，高压大电流GTO成为可能，但常规的GTO很难实现快速关断，并且不能在直流电路中关断短路电流。基于15 kV SiC GTO的ETO原理及GTO样品如图7所示。图7（a）中，通过在门极和发射极加入低压MOSFET可形成开关自由的Emitter Turn-off （ETO）Thyristor，该ETO通过在门极加负压，并关断发射极MOSFET，转移发射极电流到门极电路，使ETO具有自关断能力和快速的开关速度（μs级）。目前SiC p-GTO在2×1014/cm2掺杂浓度下的耗尽层厚度为120 μm，单位面积的电阻为4.8 mΩ/cm2，电流密度可达600~700 A/cm2，现有单芯片的有效面积为0.521 cm2。在室温条件下，图7（b）所示的GTO开关电流可达上百A，通过数十个此类ETO并联，完全可以应用于电力系统需要数kA的短路关断电流能力的场合。

图7　基于15 kV SiC GTO的ETO及GTO样品Fig.7　ETO based on 15 kV SiC GTO and prototype of GTO

4.1第2代FID

如图8所示，第2代FID［15］采用2个ETO背靠背连接的电路，每个ETO并联对应高压SiC二极管。ETO不导通时，由其中的一个二极管反向阻断；ETO导通时，通过另外器件的反向二极管配合实现导通。

图8　第2代FID拓扑Fig.8　Topology of Gen-2 FID

该电路结构和控制都十分简单，主要依靠ETO可直接关断交直流电流的特性实现，ETO由光纤隔离电路直接驱动，其优点是只需要一个隔离驱动电源。第2代FID主要的缺点是ETO的导通压降大，静态损耗较大，需要很大的散热器，并且已有的高压SiC二极管的浪涌能力较差，电路的过载能力受限，较难使用在更大容量的系统中。

4.2第3代FID

针对功率器件正常运行时静态损耗大的缺点。FREEDM中心开发了第3代FID［16，17］，如图9所示，其结构主要由并联运行的快速断路器和高压电力电子功率电路组成。正常运行时，运行电流主要由快速断路器承担，高压功率器件分支（由单个可控SiC ETO和串联的Si二极管整流桥组成）由于导通压降大，几乎无电流。故障发生后，辅助MOSFET开关先关断，此时快速断路器支路的电流被迅速切断，此后特殊的快速断路器动作结构可以实现无消弧过程。待快速断路器达到对应电压的阻断能力后，再关断高压电力电子功率器件支路，该支路关断产生的高压将由RC吸收电路和MOV电路消除。目前，该电路的开关过程可以控制在5 ms以内，相对常规断路器100 ms的动作时间显著减少。

图9　第3代混合型FID拓扑Fig.9　Topology of Gen-3 Hybrid FID

5　其他高压SiC器件的应用

5.115 kV SiC MOSFET/6.5 kV Si IGBT混合型器件

图10给出了15 kV SiC MOSFET和6.5 kV SiIGBT混合并联型器件原理［18］，其主要是利用MOSFET关断无拖尾电流开关损耗低和IGBT导通压降低的特点，综合两者的优势，优化混合器件的特性。

正常运行时，负载电流的主要部分由Si IGBT支路分担，SiC MOSFET仅承担少量的电流，其分流值由IGBT的饱和压降和MOSFET的导通电阻决定。关断时刻，首先取消IGBT的驱动信号，经过Td的延时后，再取消MOSFET的驱动信号，通过多次测试并调整延迟关断时间可以减少混合器件的关断损耗。

文献［19］的测试结果表明，通过混合并联，整个器件的关断损耗可以减少50%以上，关断损耗和导通损耗的总损耗将减少35%。

图10　15 kV SiC MOSFET和6.5 kV Si IGBT混合并联型器件原理Fig.10　Principle of hybrid parallel device based on 15 kV SiC MOSFET and 6.5 kV Si IGBT

5.26.5 kV SiC JFET与6.5 kV Si IGBT混合型器件

针对SiC器件高温下氧化栅极技术不成熟的缺点，United Silicon Carbide公司和Infineon等开发了无需氧化栅极结构的JFET。常规JFET是常开器件，需要在门极加负压时才能完全关断器件沟道，因此其使用范围有一定的局限性，往往会导致直流母线直通短路。针对这一特点，United Silicon Carbide开发了增强型的JFET［20］，其“0”V栅偏压时是不导电的器件，只有当栅极电压大于其阈值电压时才能出现导电沟道。

该类电路的原理和图 10相似，仅是将SiC MOSFET改为 SiC JFET，运行控制方式一致。FREEDM实验结果表明混合器件相对Si IGBT，通过调整延时时间，最大可以减少70%的开关损耗，但成本大约需要增加50%。考虑SiC器件未来的发展趋势，这部分成本会在未来5年内快速降低，并可通过减少损耗来补偿。

5.31.2 kV SiC JFET与1.2 kV SiC MOSFET

混合串联型器件

常规JFET是常开器件，通过Cascode结构的应用电路可以实现常关性器件特性，其开通特性主要由低压MOSFET特性决定，通过合理选择低压MOSFET器件，可以优化这个Cascode结构JFET的性能。

图11是FREEDM开发的混合串联型器件［21］，该器件最底层采用1.2 kV SiC MOSFET，其余器件为1.2 kV SiC JFET。

图11　串联混合型JFET器件Fig.11　Hybrid series JFETs

该SiC MOSFET取代常规Cascode结构的低压Si器件，需要承担分压，而且，相对Si器件，可以承受更高温度。使用JFET的优势在于电流反向流动时，JFET门极电压已自动恢复至“0”V，此时JFET已自然转为导通状态 （JFET的门极阈值电压为-15～-6 V），反方向电流仅走JFET的沟道（第三象限运行模式），因此该电路中JFET无需反向续流二极管。而且，相对反向续流二极管，此电路反向导通的电压降很小。

6　结语

本文简述了高压SiC器件在FREEDM中心的应用情况，主要涉及MOSFET、IGBT、ETO和JFET等器件，应用场合主要有SST和FID等FREEDM核心应用领域。实践结果表明SiC器件可以显著简化电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来有效降低无源器件的体积，提高单位功率密度。但是，SiC器件的驱动技术和电源隔离技术还有待提高，否则较高的dv/dt和di/dt将引起驱动电路干扰，甚至器件的误触发而导致故障。

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High Voltage SiC Devices Applied to FREEDM Systems Center

NI Xijun
（School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

The silicon carbide（SiC）is one of the most mature researched wide bandgap semiconductor material now，therefore，it has been became the research hot spot in the high voltage，high temperature，and high frequency power region.According to the practical productions and applications，in this paper the present research status and applied prospects of these devices is demonstrated in the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management （FREEDM）Systems Center，which maintains close cooperation with the biggest SiC device manufacturer-Cree，Inc.Then the applications of several high voltage SiC devices are emphasized particularly on MOSFET，IGBT，ETO，and JFET，which are applied to solid state transformer and fault isolation device，and so on.At present，FREEDM systems center has developed several generations of SST and FID based on their intrinsic characteristics of these devices.What’s more，it has gained a lot of important research results act as research leader of the high voltage SiC device.

silicon carbide（SiC）；solid state transformer；fault isolation device；three-level neutral point clamp （NPC）；soft switching；DC-DC converter

倪喜军

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.139

TM46

A

2016-04-18 基金项目：南京工程学院高层次引进人才科研启动基金资助项目（YKJ201522） Project Supported by the High Level Introduction of Talent Research Start-up Fund of NJIT（YKJ201522）

倪喜军（1980-），男，通信作者，博士，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用和宽禁带器件应用，E-mail：xijunni@163.com。