应用于中压配电网的碳化硅电力电子技术

姬世奇，赵争鸣，王飞

(1.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.田纳西大学 电气工程与计算机科学，美国 诺克斯维尔 37996)

电力电子技术已经广泛应用于中压系统(电压等级为交流电压1～35 kV)，包括中压电动机驱动和中压配电网并网变换器。其中，中压电动机驱动(电压等级为2.3～13.8 kV，功率至几十兆瓦)大量应用于风机、水泵、压缩机、挤压机、搅拌机、矿井、舰船推进系统等。而在中压配电网中，电力电子装置的应用更是越来越广泛，典型应用包括：①用户用电设备的电力电子装置，包含潮流控制装置[1](如固态电源切换开关、固态断路器和故障电流限制器)、电力调节装置[2](如静态同步补偿器、动态电压恢复器、统一电能质量调节器)以及有源滤波装置[3]；②用于多样性能源的电力电子装置，包含新能源接口变换器[4](如太阳能、风力机)、储能设备接口变换器[5](如蓄电池、飞轮储能)以及直流和交流微电网的各类接口变换器[6]；③新型电力电子装置[7-8](如电力电子变压器等)。未来配电网中需要大量的高性能中压电力电子装置，其中最关键的就是功率半导体器件。

现有电力电子装置大多使用传统硅基功率半导体器件，碳化硅功率器件作为一种新型的宽禁带功率半导体器件，在近些年飞速发展[9-29]。相较于传统硅基功率器件，碳化硅器件在器件特性方面拥有更大的优势，包括更高的耐压能力、更小的导通电阻和开关损耗、更高的开关频率以及更高的工作结温。合理利用这些器件特性，可以使得应用于中压配电网中的电力电子装置获得更好的特性。碳化硅器件可以通过以下途径应用到中压电力电子装置中：①将传统硅器件直接替换成碳化硅器件，提高变换器的效率和功率密度[25]；②使用电压等级更高、开关频率更快的碳化硅器件可以简化变换器的拓扑，进一步提高效率和功率密度[26]；③基于碳化硅的变换器由于开关频率更高，控制带宽也更高，可以实现更多的并网功能[30]。

碳化硅器件的开关速度比传统硅器件更快，dv/dt从传统硅器件的3 V/ns增加到50 V/ns[21]，因此也带来了更高的电应力和更大的电磁干扰，而这给其应用带来了更大的挑战，包括封装技术、门极驱动、抗电磁干扰设计等。

1 碳化硅器件的发展

1.1 与传统硅器件的比较

碳化硅器件在电压等级、导通电阻和开关速度方面都体现出很大的优势，主要原因是其拥有更好的材料特性。碳化硅有多种多形体，包括3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC等，其中4H-SiC的载流子迁移率更高、杂质电离能更小，其在功率半导体器件中的应用最为广泛。表1给出了硅与4H-SiC材料关键特性的比较。

表1 硅和4H-SiC材料关键特性比较Tab.1 Comparisons of properties of Si and 4H-SiC

由表1可以看出，碳化硅拥有更好的材料特性。碳化硅功率半导体器件的优势体现在以下几方面。

1.1.1 单位面积导通电阻

在相同的电压等级下，碳化硅器件的单位面积导通电阻更小。由于碳化硅的击穿场强EB是硅的10倍，在相同的电压等级下，碳化硅器件基区的掺杂可以更高(达到硅的10倍)，基区宽度可以更窄(硅器件的十分之一)。对于单极性的功率半导体器件〔例如肖特基二极管和金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)〕，更高的基区掺杂和更窄的基区厚度都会使得碳化硅器件的单位面积导通电阻远小于硅器件[29]。图1所示为硅和碳化硅器件单位面积导通电阻的比较曲线，图中“★”处为各代(Gen)器件相关参数值。

图1 硅和碳化硅单位面积导通电阻比较Fig.1 Comparisons of specific on-resistance of Si and SiC

1.1.2 开关速度

由于碳化硅击穿场强更高，饱和漂移速度更快，碳化硅器件的开关速度更快[21]，原因为：①由于单位面积导通电阻更小，碳化硅器件的芯片面积更小，因此器件结电容也更小；②对于双极性器件〔(例如PiN二极管和绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)〕，碳化硅器件的载流子寿命更短；③在关断过程中，少数载流子扫出基区的速度由饱和漂移速度决定，碳化硅饱和漂移速度是硅的2倍。图2所示为碳化硅和硅器件开关瞬态波形的比较，其中，vds为碳化硅器件电压，id为碳化硅器件电流，vce为硅器件电压，ic为硅器件电流，Eoff为器件关断损耗。图2(a)中，dv/dt=38 V/ns，当测试条件为直流母线电压7 kV、负载电流15 A时，Eoff=5.2 mJ；图2(b)中，dv/dt=3 V/ns，当测试条件为直流母线电压5 kV、负载电流560 A时，Eoff=4 mJ。由此可以看出碳化硅器件比硅器件快很多。

1.2 碳化硅器件的发展

1.2.1 二极管

传统硅器件单极性二极管的导通电阻较大，因此硅器件二极管以双极性PiN二极管为主。由于碳化硅器件单位面积导通电阻大大降低，没有反向恢复过程的单极性JBS二极管更为常见[9]。JBS二极管的适用电压范围可以达到10 kV，在10 kV电压等级下单位面积导通电阻只有80 mΩ/cm2，而碳化硅1.2 kV的JBS二极管已经获得商用，在很多场合开始取代原有的硅基二极管。也有研究人员针对高压应用场合开发了碳化硅的PiN二极管[10]，导通损耗很低，例如10 kV的碳化硅PiN二极管单位面积导通电阻只有7.6 mΩ/cm2，而且碳化硅PiN二极管的反向恢复很小，只有硅PiN二极管的1%。

图2 硅和碳化硅器件关断瞬态波形的比较Fig.2 Comparisons of turn-off transient waveforms of Si and SiC devices

1.2.2 单极性可控器件

传统硅的单极性器件一般只用在电压等级小于1 kV的场合(例如650 V的硅基MOSFET)，而碳化硅器件由于更小的单位面积导通电阻，应用范围更加广泛[11-22]。1.2 kV和1.7 kV碳化硅MOSFET近年来发展迅速，性能和可靠性持续改善，已经开始了商业化推广。碳化硅的单极性器件甚至可以用于更高电压等级，如Wolfspeed开发了10 kV和15 kV的碳化硅MOSFET，单位面积导通电阻只有100 mΩ/cm2和208 mΩ/cm2，USCi也推出了6.5 kV碳化硅结型场效应晶体管(junction field effect transistor，JFET)，单位面积导通电阻为126 mΩ/cm2。由于单极性器件没有拖尾过程，开关损耗更低，例如10 kV碳化硅MOSFET在3 kV直流母线、10 A负载电流下的开关损耗只有3.2 mJ，而6.5 kV硅基IGBT在同样的测试条件下开关损耗高达118 mJ。但是碳化硅的单极性可控器件还存在门极老化、体二极管可靠性等问题。

1.2.3 双极性可控器件

双极性功率半导体器件由于存在少子导电的机制，其单位面积导通电阻比单极性器件要小很多。碳化硅的双极性器件通常只应用于非常高的电压等级[23]，如22 kV碳化硅的ETO[24]，目前大部分只停留在实验室研发的样片，离下一步的商业化较远。图3所示为目前已有的碳化硅器件种类以及对应的电压电流等级，图中BJT为双极结型晶体管。

图3 碳化硅器件种类及电压电流等级Fig.3 Rated voltage and current grades of SiC devices

1.3 碳化硅器件应用于中压配电网的优势

1.3.1 器件替换

由于碳化硅器件的低导通损耗、无反向恢复特性、高开关速度，将传统的硅器件直接替换成碳化硅器件，可以提高变换器的效率：由于碳化硅器件损耗更小，因此器件替换后散热系统也更小；而且由于碳化硅器件开关损耗小，因此开关频率可以更高，这样就可以减小变换器无源器件(例如滤波电感)的体积[24]。

1.3.2 拓扑简化

功率半导体器件电压等级的提高有助于拓扑的简化。如果使用硅基的功率半导体器件，对于3.3 kV和4.16 kV的电压等级，可以使用三电平变换器，对于6.6 kV电压等级，则需要复杂的五电平的拓扑；如果使用碳化硅器件，在3.3 kV和4.16 kV的电压等级，只要使用简单的两电平拓扑，在6.6 kV电压等级，也可以使用较为简单的三电平拓扑，可以看到碳化硅变换器的拓扑更简单[26]。在中压配电网的硅基电力电子变换中，一种常用的拓扑是低压两电平变换器配合工频升压变压器，在使用碳化硅器件后，工频变压器可以被高频变压器取代(例如电力电子变压器)。拓扑的简化有助于提高效率和功率密度，同时可以降低成本，提高可靠性。

1.3.3 并网功能

传统的中压配电网硅基电力电子变换器开关频率通常为0.5～1 kHz，而使用碳化硅器件后，开关频率可以达到10 kHz，这大大提高了控制带宽[30-31]。更高的开关频率和控制带宽带来了更多的并网功能，包括：①碳化硅的变换器可以提供有源滤波功能，而不需要专门再安装独立的有源滤波器；②碳化硅的变换器可以作为电网稳定器来提高电网的稳定性；③碳化硅变换器有更好的瞬态特性，例如更加平滑的工作模式切换、低电压穿越、黑启动等。

2 碳化硅器件应用的挑战

尽管碳化硅器件较硅器件更有优势，但由于其开关速度更快，这也带来了其应用过程中的挑战，主要来自于碳化硅器件开关瞬态的小时间尺度(ns至ms)，包括封装、驱动设计、抗干扰等。

2.1 封装技术

图4所示为典型的功率半导体模块封装，封装设计中存在电、热、机械等多方面的挑战[32-38]。

图4 功率半导体模块封装Fig.4 Package of power semiconductor module

2.1.1 电气绝缘设计

由于一方面碳化硅器件的电压等级更高，另一方面其dv/dt更高，因此与传统硅器件封装相比，碳化硅器件封装更有可能发生局部放电。在器件封装设计中，电气绝缘主要通过硅胶填充和陶瓷绝缘基板实现。

在模块封装中，碳化硅芯片与覆铜基板相联的通常为芯片的漏极，反面(图4中芯片的顶面)为芯片的源极，碳化硅芯片的厚度很窄(例如10 kV碳化硅MOSFET只有100 μm)，因此芯片漏极和源极之间的绝缘依赖于芯片表面的绝缘带。然而由于芯片本身面积有限，绝缘带宽度通常也很小，这就使得其承受的表面场强很高(例如10 kV碳化硅MOSFET绝缘带宽度为1.375 mm，表面场强达到7.3 kV/mm)[21]。为防止沿芯片表面发生放电，需要在封装中填充硅胶，而且需要在真空环境中完成硅胶的填充，这样可以确保硅胶中不会存在气泡，进而引起芯片沿面局部放电。由于碳化硅器件芯片面积比硅器件小很多，碳化硅模块的功率密度可以比硅器件模块更高；但是由于模块的导体端口会暴露在空气中，为了满足绝缘和爬电距离，可能需要体积更大的封装。为了实现功率密度更高的模块封装，可以将导体端口也通过硅胶塑封实现电气绝缘，减小对绝缘和爬电的距离需求。

在功率半导体模块封装中，基板可以接地，而芯片属于高压端，芯片和基板之间的绝缘通过陶瓷绝缘板实现。与硅器件相比，碳化硅器件陶瓷绝缘板需要更高的绝缘能力[32]，而且陶瓷绝缘板的尖端承受更高的场强，在高dv/dt下很容易发生局部放电。为了实现更均匀的场强分布，可以使用多层绝缘陶瓷基板。

2.1.2 寄生参数设计

由于碳化硅器件开关过程中di/dt很大，要求主电路的杂散电感尽可能小，例如10 kV/240 A碳化硅MOSFET的di/dt达到10 A/ns，如果杂散电感为100 nH，则会产生1 kV的电压尖峰[28]。主电路的杂散电感包括封装内部的杂散电感和封装外部的母排杂散电感，母排杂散电感的影响可以通过使用吸收电容来进行抑制，而封装内部的杂散电感则需要通过优化封装内部的芯片布局及走线来实现。门极的杂散参数对开关瞬态特性影响也很大，因此对于碳化硅器件，通常需要使用Kelvin四端接法。

在传统硅器件中，封装寄生电容的影响较小，而在碳化硅器件中，封装寄生电容对开关瞬态的影响比较明显。较大的寄生电容一方面带来更高的开关损耗，另一方面会产生较高的共模干扰电流，因此在碳化硅器件封装中，需要对寄生电容进行优化设计。封装中的寄生电容主要由关键走线(也就是桥臂中点的走线)和覆铜基板之间的面积决定，因此可以通过优化两者之间的耦合面积来降低封装的寄生电容[34-35]。

图5给出了考虑高电压绝缘、低杂散参数设计的10 kV碳化硅MOSFET的H桥模块封装[37]。

图5 10 kV碳化硅MOSFET的H桥模块Fig.5 H-bridge module of 10 kV SiC MOSFET

2.2 门极驱动设计

门极驱动的功能是将控制信号转化成驱动信号，可以有效驱动功率半导体器件的通断，因此门极驱动一方面要求可以尽可能发挥出碳化硅的高开关速度，另一方面又需要保证系统的可靠稳定。图6所示为门极驱动的基础结构，其中控制信号的电气隔离通过光纤传输的方式实现，门极驱动IC和门极电阻需要根据功率半导体器件的特性进行选择，隔离电源的设计需要考虑小寄生电容和高隔离电压。门极驱动的设计需要重点考虑保护和门极串扰[39-46]。

图6 功率半导体器件门极驱动Fig.6 Gate driver of power semiconductor

2.2.1 门极保护

与传统硅器件相似，碳化硅的门极驱动保护也需要包含驱动电源欠压保护、器件过压保护和过流与短路保护，其中碳化硅器件和硅器件驱动在过流与短路保护的设计中存在较大不同，传统硅器件可承受的短路时间通常超过10 μs，因此硅器件的短路保护响应时间约为10 μs。但是对于碳化硅器件，由于其芯片的功率密度更高，其可承受短路时间更短，一般在10 μs以内，而高压碳化硅器件可承受短路时间更短(例如10 kV碳化硅MOSFET的可承受短路时间只有2 μs)[41]。考虑到碳化硅器件可承受短路时间比传统硅器件短很多，而此要求碳化硅器件的短路保护响应速度比传统硅器件更快[42]。而快速短路保护带来了由于干扰而误触发的问题，碳化硅器件的高dv/dt使得干扰更加明显；因此，门极保护设计需要综合考虑快速响应和抗干扰的问题。

2.2.2 门极串扰

门极串扰指开关管的门极电压由于受到对管开通和关断的影响而产生波动的现象。门极串扰现象主要体现在2个方面：①当对管导通时，开关管电压迅速上升，高dv/dt通过米勒电容给门极充电，使得开关管门极电平高于导通阈值，进而引起桥臂直通；②当对管关断时，开关管电压迅速下降，高dv/dt通过米勒电容给门极放电，使得门极电平低于门极可承受负压，进而引起门极击穿。可以看到门极串扰的发生增加了器件失效的风险，而碳化硅器件dv/dt更高，因此更容易出现门极串扰。对此，提出了很多防止门极串扰发生的方案，包含门极阻抗控制、门极电压控制等[44]，这些防止门极串扰的控制都需要额外的硬件电路以及控制算法，增加了驱动的复杂程度。在决定是否使用这些防止门极串扰的方法前，需要针对特定器件进行门极串扰风险的评估。门极串扰的风险取决于米勒电容和门极电容的比例，对于电压等级较低的碳化硅器件，该比例越高(例如1.2 kV碳化硅MOSFET，为5.4×10-3)，则门极串扰风险越高，通常需要抗门极串扰的电路；而对于高压碳化硅器件，该比例较低(例如10 kV碳化硅MOSFET，仅为0.7×10-3)，则门极串扰风险较低，可以不增加抗门极串扰的电路。

2.3 电磁干扰问题

由于碳化硅变换器通常使用紧凑的结构设计，功率密度很高，由此也带来了更大的寄生电容参数。考虑到碳化硅器件的高dv/dt，碳化硅变换器面临非常严重的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)问题，需要设计必要的EMI滤波器来满足相关的EMI标准。

在硅基变换器中，器件开关频率只有1 kHz左右，为了满足电能质量要求，通常可选择的调制方法有限，例如空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)、特定谐波消除脉宽调制(selective harmonic elimination pulse width modulation，SHEPWM)等。而碳化硅变换器开关频率可以达到几十kHz，调制方法选择的灵活度更大，一些可以抑制EMI的调制策略[47](如NSPWM、AZSPWM[48]等)，也可以被用在碳化硅变换器中。

3 碳化硅器件在配电网中的应用现状

3.1 新能源并网变换器

近年来，光伏、风能等新能源发展迅速，高性能的并网变换器至关重要。图7所示为使用10 kV碳化硅器件的12.4 kV兆瓦级光伏并网变换器[49]，由Danfoss公司和美国田纳西大学联合研发。由于变换器不需要体积庞大的基频变压器，因此大量减少了无源器件，变换器功率密度得到了很大的提高。

图7 基于高压碳化硅器件的光伏并网变换器Fig.7 Photovoltaic grid-connected converter based on high voltage SiC

3.2 电力电子变压器

电力电子变压器可以取代传统的50 Hz/60 Hz变压器[15,31]，并且获得以下优势：①相较于传统的基频变压器，电力电子变压器基于高频变压器，体积和重量都更小；②潮流可控。GE公司开发了1 MVA 13.8 kV/265 V基于碳化硅器件的电力电子变压器，如图8所示，变压器使用10 kV/120 A碳化硅MOSFET半桥模块，开关频率达到20 kHz。电力电子变压器基于模块化设计，每个模块功率等级为250 kVA，1 MVA的电力电子变压器重量为800 kg，只有传统变压器的三分之一。

图8 基于高压碳化硅器件的电力电子变压器Fig.8 Electronic transformer based on high voltage SiC

3.3 配电网多端口变换器

多端口变换器可以连接不同电压等级的电网，并且对不同端口的功率独立控制，而且可以实现不同电网相角解耦，提高电网的稳定性，所以多端口变换器也是未来能源互联网的核心部件。图9所示为由清华大学研发的基于1.2 kV碳化硅MOSFET的1 MVA多端口变换器[50]，可以同时支持10 kV交流、10 kV直流、380 V交流、750 V直流电压等级，研发的多端口变换器作为示范项目的一部分，已在广东省东莞市运行。

图9 基于碳化硅器件的多端口变换器Fig.9 SiC based multi-terminal converter

4 结束语

碳化硅功率半导体器件近年来发展迅速，其在电压等级、开关速度等方面等优于传统硅器件，而基于碳化硅器件的电力电子变换器也体现出3个方面的优势：①由于散热、无源器件等大量较少，功率密度更高，由于器件损耗很低，变换器效率更高；②可以简化拓扑；③由于开关频率和控制带宽更高，可以实现更多的并网功能。然而由于碳化硅器件开关速度更快，也带来了器件应用方面的挑战，包括封装、门极驱动、EMI设计等方面，很多问题尚未解决，仍然是目前的研究热点。