碳化硅电力半导体器件在现代电力系统的应用及展望

陈明会，王春宁，武　浩

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

0　引　言

电力电子技术经过近几十年的迅猛发展，已经深入到社会发展和国民经济建设的各个环节，担当着基础而且极其关键的技术角色。电力电子装置广泛应用在现代电力系统中，比如大功率高性能的DC/DC变流器、可再生能源的并网逆变器、高压直流输电和交流配电系统等。这些装置都具有一系列优点：较小的体积和重量、较快的响应速度、较高的控制精度等。但是在大电压和大功率量级方面，硅基电力电子器件有一定的限制，为了适应实际要求往往就会把主电路的拓扑结构做得很复杂，从而使装置的可靠性不高，成本和损耗也会加大，再加上受限制于材料，大多数器件的电学方面性能已经达到理论极限。所以，目前越来越多的学者开始转而研究和开发宽禁带半导体材料的电力电子器件。

所谓的宽禁带半导体材料，其主要构成材料为碳化硅(SiC)和氮化稼( GaN)，这两种材料优势明显，尤其是在物理和电学方面。它们的击穿电场强度和禁带宽度，分别是普通硅材料的8倍和3倍。因此，其导通比电阻极低，开关速度和频率也较高，同时，其最大理论工作温度也是硅材料的4倍，这就能够有效改善散热系统，更高加强功率密度。21世纪初，已经有SiC材料的电力电子器件开始商用，比如4H-SiC肖特基二极管，这种器件最先应用于低压领域。随后，相应的高压SiC器件也借着技术的进步慢慢问世，而兆瓦级的电力电子器件，这种人们长期以来期望的，也已经变成可能。目前，以SiC为材料的电力电子器件正在蓬勃发展，在现代电力电子系统中，它们的作用将会越来越明显。

1　SiC功率器件的特性

SiC功率半导体器件与普通的硅材料半导体器件相比，具有的优良特性有:

(1)宽带隙(不同聚合物可以高达3.2 eV，如4H-SiC);

(2)高热导率(最高可达4.9 W/ (cm·K));

(3)高工作温度(最高可达到1 000℃);

(4)高雪崩临界击穿电场(可达5 MV/cm) ;

(5)高化学稳定性和抗辐照特性。

SiC功率器件的这些优良特性，很好地满足了电力系统对电力电子技术方面的要求。不仅如此，其开关和导通损耗都很低，因此受到越来越多人的关注。到目前，随着研究的逐步深入，一些诸如SiC金属氧化物MOSFET和SiC肖特基二极管SBD等SiC功率器件已经慢慢地实现商业化。

2　SiC功率器件的发展现状

在功率半导体器件方面， SiC材料正由于其宽禁带和高温稳定性的显著优势，在民用和军用电力电子行业方面都得到了广泛地应用，比如光伏逆变器和电磁炮等，其性能都得到了有效提升，所以在将来的电力系统中，SiC功率器件的影响也一定会更加深远。在世界各地，以美国、日本和欧盟为主导，宽禁带半导体(SiC和GaN)功率器件和电力电子装置得到进一步发展。美国在2014年成立了NGPEI，即下一代电力电子创新联盟；日本的新能源及产业技术综合开关机构NE-DO和欧盟的碳化硅电力电子技术应用计划ESCAPEE，在SiC功率器件方面都已进行了十几年的研究。

进入21世纪，世界各国更是对SiC功率器件慢慢实现了产业化，SiC二极管首先在2010年的德国英飞凌完成了产业化，SiC MOS-FET在2010年由美国科锐公司和日本罗姆公司完成。2011年美国SemiSouth公司实现了SiC JFET的产业化，2013年美国GeneSiC公司实现了1200～1700 V/SiC BJT的产业化。目前，国外600～1 700 V/50 A SiC二极管、1 200～1 700 V/单管电流20 A、模块电流100 A以上SiC MOSFET ,JFET和BJT器件已经产品化;22 kV SiC PIN二极管、15 kV SiC MOSFET、24 kV SiC IGBT、22 kV SiC GTO实验样品也已被研制和报道。

我国对宽禁带半导体器件的研制相对晚一些，在国家973计划和863计划的激励下，从2007年才慢慢开始，但是却取得了瞩目的成就，在相关宽禁带半导体器件研究方面，发现并推出这样两大理论：宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论。在对宽禁带半导体器件的研发上，我国也有了突破，比如600～3 300 V/50 A的SiC肖特基二极管芯片和场效应单管芯片，不但研制成功，而且完成了商业化。

3　SiC功率器件在现代电力系统中的应用展望

事实上，电力电子器件和相关应用装置，应用到了现代电力系统的很多方面，如光伏和风力发电、直流输电和配电等系统中。

3.1　风力发电系统

风力发电是在20世纪90年代才慢慢开始的，近些年风力发电技术不断地发展进步，目前其技术已经相当完善。

变流器在风力发电系统中至关重要，它的作用是通过整流器和逆变器，把风能转化为符合要求的电能，而转化而来的电能的电压、频率和相位指标，直接决定了发电的效率，以及发电的安全可靠性。原先的变流器拓扑结构主要为两电平和三电平，目前已转向了多电平结构，在很大程度上改善了线路损耗。如果把SiC功率器件应用其中，由于其优良的特性，那么风力发电系统将得到进一步改善升级。比如Romh公司在2012年研制出SiC MOSFET功率模块，由此模块组成的大功率逆变器，其应用电路拓扑结构更简单，而且装置的体积和成本，与以往相比，大大降低，运行也更高效。

3.2　光伏发电系统

光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备组成。

光伏发电的原理就是基于光伏电池的光生伏特效应，然后通过装置把光能变成可供使用的电能。光伏发电系统的主要部分有：光伏电池和蓄电池组、控制器和逆变器、变压器和测量器件等。

对太阳能的研究开发，从20世纪70年代就已经开始，到2016年，全球新增的光伏发电装机容量已经接近66.7 GW，而目前太阳能迅猛发展的势头仍然有增无减。虽然发展迅速但目前仍有一些技术问题亟待解决，比如不稳定的输出功率、较高的成本和损耗、较小的功率密度等。而不断发展的SiC功率器件技术将能逐渐解决上述问题，电能质量也会随着开关频率的升高而更加优良。

3.3　柔性直流输电技术

柔性直流输电技术应用在现代电力系统中，不但能够使可再生能源得到充分利用，而且有利于提升电网运行效率和推动现代电网进一步智能化。

在柔性直流输电技术中，换流站正常情况下往往需要非常高的电压和电流，一般能达到几百千伏和几千安培，所以对于传统的IGBT器件来说，都有着诸如动态均压难度大和导通损耗较大等缺陷。而新型的SiC IGBT、SiC GTO等宽禁带半导体器件，随着技术的进步，在容量和功率密度方面进一步提高，这无疑有利于弥补这些缺陷，而且柔性直流输电的电压等级和容量也会随之提升。

3.4　电能路由器

能量路由器最早是在2008年由美国的北卡莱罗纳州立大学提出来的，当时学者推出一种理论框架，即在电力系统中，融合电力电子技术和信息技术的优势，就如同网络技术中的核心路由器一样，在将来，实现配电网层面的能源互联网。

美国北卡罗莱纳州立大学在能量路由器理念的基础上，开发出了第一代固态变压器电路拓扑。这个电路拓扑包括三大部分，分别是高压级、隔离级和低压级，这三个等级通过直流母线连在一起。多个桥模块级联组成高压级部分，其中全桥模块就是由传统硅材料的IGBT构成。这就存在这样一个问题：限于目前的大功率器件，这种多个模块的结构抗压性差，而且开关频率很低。这就造成电能路由器在动态性能方面表现不佳，而且体积和噪声都相当大。这个问题主要是由多个全桥模块的器件组成带来的，要想解决就得采用单个模块。如果采用高压的SiC MOSFET器件，就可以用单个模块组成高压级和隔离级，而且由于其阻断电压和开关频率，分别能达到10 kV和20 kHz，使开关速度更快，损耗更小，系统结构会更简单高效。

3.5　直流固态断路器

在现代电力系统中，直流配电技术具有很多优势，比如电能的运行成本和损耗更低，电能质量更加优良，系统更加高效等。不仅如此，还能使分布式能源的效益在大电网中得到更充分地利用。但是限制于种种的关键技术，直流配电技术还不是目前电力系统的主流技术，而直流断路器技术就是其限制之一。

现在的直流固态断路器主要为传统硅材料的功率器件，之前受到研究者欢迎是因为它具有较快的分断速度和较高的工作频率等显著特点，但是随着研究深入，也暴露出了一系列问题：较高的通态损耗、单管器件电压电流不稳定、设计复杂等。这就使得在直流固态断路器的进一步开发和实践上很难再有突破。

以SiC为代表的宽禁带半导体器件不断引起学者和研究者深入其中，尤其在最近几年发展的势头猛烈，因为其工作电压和功率密度都较高，而且，损耗小、工作速度快，所以越来越多的学者和研究者想把它们应用在大容量、高压、高频、高温等领域。若宽禁带半导体器件广泛应用在直流固态断路器中，那么以传统硅基材料组成的直流固态断路器的一系列问题将得到解决。

目前学者刚刚开始研究把宽禁带半导体器件应用于直流固态断路器中，图1给出一种SiC SIT固态断路器的拓扑结构，是Yukihiko Sato等人在2014年推出的SiC静态感应晶体管(SIT)低压固态断路器，这种结构可以应用在400 V的直流系统中。通过实验发现，这种断路器断流能力较强，而以前的断路器在断流过程中出现的暂态电压电流不稳定的问题，也能得到改善。图2是一种基于常通型SiC JFET的直流固态断路器的主电路，该电路是由湖南大学的沈征教授在2015年提出的。这种直流固态断路器也是应用于400 V系统中，且是自供电，反应迅速。所以，在SiC功率器件的发展和推动下，直流配电技术必将得到更深层次的发展和利用。

图1　SiCSIT固态断路器拓扑结构

图2　SiCJFET固态断路器

4　结束语

碳化硅功率器件正处在一个蓬勃发展的时机，在迎来巨大机遇的同时，也面临着诸多挑战。拥有着较低的损耗、较高的导热率和功率密度的显著优势，它将推动现代电力系统朝着更健康的方向发展。目前由于其稀少且产量低，成本相应较高，但是器件发展在不断地完善，等到碳化硅功率器件普及后，电力电子技术迎来新的历史时机，不断推动电力系统发展进步。

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