碳化硅電力電子器件及其在電力電子變壓器中的應(yīng)用

劉宏勛, 徐 海

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300130)

自1956年晶閘管誕生以來，具有高耐壓、高耐溫、高頻工作、低導(dǎo)通電阻、低開關(guān)損耗等特性的理想化電力電子器件便備受矚目[1]。

雖然硅基器件在各自領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，但硅基器件的研究與發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，尤其在中高壓水平，很難有所突破[2-3]。

寬禁帶電力電子器件是當(dāng)前研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，由于使用以碳化硅(silicon carbide，SiC)為代表的新型半導(dǎo)體材料，其特性突破了硅基器件的制約，被譽(yù)為影響未來電網(wǎng)發(fā)展的10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一[4]，引領(lǐng)“新能源革命”的“綠色器件”[5]。尤其在供配電領(lǐng)域，碳化硅電力電子器件的應(yīng)用為電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)的發(fā)展注入了強(qiáng)大活力。

PET又名為固態(tài)變壓器(solid state transformer，SST)，從本質(zhì)上來說是變壓器，但作為電力電子化裝置，除了能實(shí)現(xiàn)工頻交流變壓器的電壓變換和電氣隔離功能外，還能實(shí)現(xiàn)故障切除、功率調(diào)控、分布式可再生能源接入等功能[6]。另外，由于PET高頻工作，相較于傳統(tǒng)變壓器，其體積和質(zhì)量可顯著減小。綜合以上優(yōu)勢，PET廣泛應(yīng)用于分布式能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)[7]、鐵路機(jī)車牽引系統(tǒng)和船舶動(dòng)力系統(tǒng)[8]等，同時(shí)是電能路由器[9]、直流配電[10]等技術(shù)發(fā)展中不可或缺的組成部分，對(duì)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的建設(shè)將產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。2010年，PET被麻省理工學(xué)院評(píng)為十大新興技術(shù)之一[11]。

PET技術(shù)的攻堅(jiān)難點(diǎn)在于目前常用的硅基功率半導(dǎo)體器件的耐壓水平有限。為滿足中高壓場合應(yīng)用的需要，PET變換器拓?fù)渫ǔ２捎眯枰罅块_關(guān)器件和無源元件的級(jí)聯(lián)形式[6,12]。這不僅提高了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)還降低了效率，控制難度也更為復(fù)雜。而應(yīng)用寬禁帶材料器件如碳化硅電力電子器件，則不失為一種攻堅(jiān)克難的有效方法。

圖1 硅基電力電子器件種類Fig.1 Types of silicon-based power electronic devices

首先，對(duì)碳化硅電力電子器件的研究與發(fā)展做簡要概述，對(duì)電力電子變壓器的發(fā)展進(jìn)行了簡單梳理。其次，結(jié)合上述兩方面，重點(diǎn)介紹了幾種典型的應(yīng)用碳化硅器件的電力電子變壓器，以便相關(guān)研究的進(jìn)一步開展。最后，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 碳化硅電力電子器件

1.1 特點(diǎn)及發(fā)展簡述

迄今為止，從不控到全控型器件，硅基功率半導(dǎo)體已有諸多產(chǎn)品問世，其分類如圖1所示[1-2]。

圖2為硅基電力電子器件功率與頻率乘積圖[13]，由圖2可知，硅基器件由于受半導(dǎo)體材料的制約，其發(fā)展已很難有所突破。表1為硅(Si)與4H型碳化硅(4H-SiC)材料性能的比較[14-17]。從表1中可以推斷出，相較于硅基器件，碳化硅基器件在高壓、高溫、高頻等領(lǐng)域更具潛力。圖3展示了碳化硅電力電子器件在不同電壓水平下的應(yīng)用情景[17-19]。

碳化硅器件大體可分為兩大類：碳化硅二極管和碳化硅晶體管，其種類和特點(diǎn)如表2所示[20-23]。

除表2所示的類型外，已有的碳化硅器件還包括BJT、結(jié)型場效應(yīng)晶體管(junction FET，JFET)、SIT、GTO、ETO等[20,24]。

碳化硅二極管因工藝難度較低，起步時(shí)間較早，發(fā)展相對(duì)成熟。早在2001年，SiC SBD即率先進(jìn)入市場。同時(shí)日本關(guān)西電力研究中心與美國Cree公司還共同報(bào)道了耐壓達(dá)12～19 kV的SiC PiN二極管[25]。而最早的碳化硅晶體管產(chǎn)品(SiC JFET)投入市場的時(shí)間是2008年[26]。盡管如此，隨著材料研究水平和工藝技術(shù)的提高，無論是在商業(yè)產(chǎn)業(yè)化還是研究領(lǐng)域，諸如SiC MOSFET、SiC IGBT在近幾年發(fā)展卻十分迅速，這對(duì)于電力電子變壓器技術(shù)的攻堅(jiān)有十分積極的意義。

圖2 硅基電力電子器件功率與頻率乘積[13]Fig.2 Power and frequency product of silicon-based power electronic devices[13]

表1 Si與4H-SiC材料性能比較

圖3 碳化硅電力電子器件應(yīng)用情景[17-19]Fig.3 Applications of SiC power electronic devices[17-19]

表2 主要碳化硅電力電子器件種類及特點(diǎn)

目前，商業(yè)化碳化硅電力電子器件的電壓等級(jí)在600～1 700 V，其商業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展歷程如圖4所示[2,15,27-37]。對(duì)于1.7～10 kV電壓等級(jí)，文獻(xiàn)[22]介紹了ABB研制的1.7～9 kV的碳化硅二極管，并已成功應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電裝置；文獻(xiàn)[38]介紹了日本ROHM公司與ABB合作研發(fā)的3.3 kV和6.5 kV SiC MOSFET。測試結(jié)果顯示，與同類型的Si IGBT相比，其開關(guān)損耗分別減少80%和75%；文獻(xiàn)[39]對(duì)Cree研制的3.3 kV/5 A SiC MOSFET樣品在PET的DC-AC級(jí)進(jìn)行了試驗(yàn)，測試結(jié)果表明其在多級(jí)級(jí)聯(lián)拓?fù)湟詽M足中壓水平的應(yīng)用中有著較大潛力。

在研究領(lǐng)域，也有相當(dāng)一批高電壓等級(jí)產(chǎn)品的報(bào)道，如耐壓高達(dá)11.3 kV的SiC MPS二極管[23]、22 kV的SiC ETO[24]、26.9 kV的SiC PiN二極管[40]、15～27 kV的SiC IGBT[41]等。另一側(cè)重點(diǎn)是應(yīng)用于PET的碳化硅基器件，故SiC MOSFET和SiC IGBT將在下一節(jié)做較詳細(xì)的敘述。

1.2 SiC MOSFET和SiC IGBT

MOSFET是典型的單極型功率晶體管，由多子導(dǎo)電，可廣泛應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，但由于其導(dǎo)通電阻受耐壓水平的約束，如式(1)所示[3]，Si MOSFET難以應(yīng)用于高壓場景。

(1)

式(1)中：Rdrift_SP為器件的導(dǎo)通電阻；UB為擊穿電壓；ε0εr為介電常數(shù)；μ為載流子遷移率；Ec為材料的臨界擊穿場強(qiáng)。

IGBT作為雙極型功率晶體管的代表，綜合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，如今在中壓中流場合應(yīng)用廣泛。但是，由于硅材料的制約，目前商用Si IGBT的電壓等級(jí)最高為6.5 kV[42]，較大的開關(guān)損耗限制了其開關(guān)頻率只能在100～1 000 Hz[43]工作。

正如前文所述，碳化硅材料因其優(yōu)良的特性為這些器件在高壓、高頻、高溫等場合的應(yīng)用創(chuàng)造了可能，突破了硅材料的制約。

圖4 碳化硅電力電子器件商業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[2,15,27-37]Fig.4 Commercial industrialization of silicon carbide power electronic devices[2,15,27-37]

在10 kV及其以上的高壓大電流應(yīng)用領(lǐng)域，SiC MOSFET和SiC IGBT有著硅基器件所無法比擬的優(yōu)勢。在商業(yè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，如圖4所示，2010年，日本ROHM公司和美國Cree公司率先實(shí)現(xiàn)了SiC MOSFET商業(yè)產(chǎn)業(yè)化，至今已有諸多公司發(fā)布了面向市場的系列產(chǎn)品，但是電壓等級(jí)較低。部分商業(yè)產(chǎn)業(yè)化SiC MOSFET(包含SiC MOSFET功率模塊)的相關(guān)信息如表3所示，其通流能力從幾安培到幾百安培不等[33,42,44-45]。

在研究領(lǐng)域，各科研機(jī)構(gòu)、高校、商業(yè)產(chǎn)業(yè)公司的有關(guān)報(bào)道不斷，耐壓極限不斷突破。表4[25,46-57]大體按時(shí)間順序梳理了近幾年來高壓等級(jí)SiC MOSFET和SiC IGBT的部分報(bào)道。對(duì)于不同器件的性能，文獻(xiàn)[54]對(duì)在相同熱環(huán)境下的6.5 kV Si IGBT、10 kV SiC MOSFET和15 kV SiC MOSFET進(jìn)行了參數(shù)比較，如表5所示。結(jié)果表明，SiC基器件在中高壓工作條件下更能勝任，其耐溫高，損耗小。文獻(xiàn)[58]對(duì)SiC MOSET和SiC IGBT在應(yīng)用于大功率中壓高頻變換器的一些性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于較低的導(dǎo)通損耗，SiC IGBT在高功率領(lǐng)域更具優(yōu)勢；由于較低的開關(guān)損耗，SiC MOSFET更適合應(yīng)用于高頻工作。

之前提到，PET受到硅基器件耐壓水平的限制而難有突破，而碳化硅電力電子器件尤其高壓SiC MOSFET和SiC IGBT的發(fā)展，為PET帶來了福音。

表3 部分商業(yè)SiC MOSFET[33,42,44-45]

文獻(xiàn)[59]指出與基于Si IGBT的PET相比，應(yīng)用SiC器件的PET處理的電壓水平是其10倍，功率是其5倍，而體積與質(zhì)量可減少40%，損耗降低60%。

表4 部分高壓等級(jí)SiC MOSFET和SiC IGBT

表5 相同熱環(huán)境下6.5 kV Si IGBT、10 kV SiC MOSFET和15 kV SiC MOSFET參數(shù)比較[54]

2 電力電子變壓器發(fā)展簡述

PET主要包括電力電子變換器以及高頻變壓器，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5所示[60-61]。

式(2)為變壓器容量與各參數(shù)之間的關(guān)系[62]。

S=2.22KfAeAcBmJ

(2)

式(2)中：S為變壓器的容量；K為銅線飽和因數(shù)；f為勵(lì)磁頻率；Ae為繞組面積；Ac為鐵芯面積；Bm為最大磁通密度；J為電流密度?？梢?，當(dāng)J與Bm變化不大時(shí)，提高頻率可減小變壓器的體積和質(zhì)量。

PET的發(fā)展可追溯到1970年Mcmurry發(fā)明的高頻變換電路，其AC/AC次級(jí)幅值變換通過控制開關(guān)管的相移角來實(shí)現(xiàn)[63]。早期PET的發(fā)展歷程梳理如圖6所示[60-61,63-68]。

1996年，日本九州電力公司的Harada等提出一種智能變壓器(intelligent transformer)[65]，與常規(guī)變壓器相比，其整體體積減小1/3，質(zhì)量減小4/5，并能實(shí)現(xiàn)恒壓恒流、功率因數(shù)矯正等功能。雖然其運(yùn)行效率最高只達(dá)到90%，但不失為PET發(fā)展的又一里程碑。

早期PET受器件耐壓水平的限制只適用于低壓小功率場景，為了有所突破，最開始的努力是對(duì)PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新與改善。文獻(xiàn)[68]提出了一種三級(jí)式PET(輸入高壓級(jí)、中間隔離級(jí)、輸出低壓級(jí)PET)，其高壓輸入級(jí)用多模塊級(jí)聯(lián)的形式以承受高壓。該方案在單相7.2 kV至240 V/120 V的PET上得以驗(yàn)證，高壓級(jí)的每個(gè)模塊直流輸出為1 000 V，低壓級(jí)輸出為500 V。該方案的提出為PET在高壓大功率場合的應(yīng)用開辟了新路徑。

圖5 PET的結(jié)構(gòu)和工作原理[60-61]Fig.5 Structure and working principle of PET[60-61]

國內(nèi)有關(guān)領(lǐng)域的研究可以追溯到21世紀(jì)初。起步雖晚，但發(fā)展相對(duì)迅速。2002年，毛承雄等發(fā)明了一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓變換的PET，其可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，解決低壓級(jí)電流不均衡問題，與國外同期方案相比，該P(yáng)ET拓?fù)涞玫胶喕?，可減少使用1/3的開關(guān)器件[69]。

PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)有無直流端口大致可分為兩類。對(duì)于含有直流端口的PET，又可根據(jù)直流端口所在位置分為三類。4種PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示[6,11-12]。比較來看，I型由于不具備直流端口，功能有限，但其尺寸和質(zhì)量相比其他形式的拓?fù)湟?，且效率較高；Ⅱ型和Ⅲ型拓?fù)潆m然有直流鏈接，但直流側(cè)電容容易受電壓二次諧波的擾動(dòng)，控制難度高；Ⅳ型由于具有端口種類多、模塊化程度高等優(yōu)勢而備受關(guān)注，相關(guān)研究大多采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

因硅基器件耐壓水平有限，為滿足在高壓大功率領(lǐng)域應(yīng)用的需求，上述拓?fù)渫ǔ２捎幂斎氪?lián)輸出并聯(lián)(input series output parallel，ISOP)的結(jié)構(gòu)形式，圖8為該結(jié)構(gòu)的示意圖[11-12]。

在輸入高壓級(jí)，除了廣泛采用的級(jí)聯(lián)H橋(cascaded H-bridge，CHB)變換器，還配合有模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)和中點(diǎn)箝位(neutral point clamped, NPC)變流器等拓?fù)漕愋蚚6]。

目前，PET研制走在前列的公司、機(jī)構(gòu)或高校主要有ABB、GE、美國電力科學(xué)研究院(electric power research institute，EPRI)、美國北卡羅萊州立大學(xué)承擔(dān)的未來可再生電能傳輸和管理系統(tǒng)(future renewable electric energy delivery and management，F(xiàn)REEDM)項(xiàng)目、歐洲多家企業(yè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)的通用柔性電能管理項(xiàng)目(universal and flexible power management，UNIFLEXPM)和瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich，ETH)等。國內(nèi)走在前列的有華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所等。諸如阿爾斯通(Alstom)、龐巴迪(Bombardier)、ABB早期研制的PET多用于鐵路機(jī)車牽引系統(tǒng)，而后慢慢向著輸配電方向發(fā)展。表6對(duì)這些團(tuán)隊(duì)采用硅基器件為高壓大功率應(yīng)用所研制的典型PET進(jìn)行了梳理[6,70-76]。如前文所述，為滿足高壓應(yīng)用，這些PET需要大量的開關(guān)器件與其他元件，不僅成本高，效率低，控制難度也十分復(fù)雜。而碳化硅電力電子器件的發(fā)展為PET在高壓領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開辟了一條更有前景和更為廣闊的道路。

圖6 PET的早期發(fā)展[60-61,63-68]Fig.6 Early development of PET[60-61,63-68]

HVDC為高壓直流； HVAC為高壓交流； LVDC為低壓直流； LVAC為低壓交流圖7 PET的結(jié)構(gòu)分類[6,11-12]Fig.7 Structural classification of PET[6,11-12]

圖8 ISOP結(jié)構(gòu)示意圖[11-12]Fig.8 Schematic diagram of ISOP structure[11-12]

3 幾種應(yīng)用碳化硅器件的PET

PET伴隨著SiC電力電子器件的發(fā)展迎來了新時(shí)代。近10年來，諸如FREEDM系統(tǒng)中心、GE公司、ETH電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、弗吉尼亞理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)走在前列，研制出了諸多基于SiC電力電子器件的PET原型。

3.1 北美卡羅萊州立大學(xué)的相關(guān)研究

2007年，北美卡羅萊州立大學(xué)電力電子半導(dǎo)體中心即對(duì)基于10 kV SiC MOSFET的270 kVA PET進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真研究，并為此特別設(shè)計(jì)了五電平維也納整流器和五電平DC/DC變換器[77]。2008年，F(xiàn)REEDM系統(tǒng)中心依托北美卡羅萊州立大學(xué)建立。Huang等[78]對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，表明電力電子功率半導(dǎo)體和PET對(duì)于發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的重要意義。同時(shí)提出了一種10 kVA的單相PET，如圖9所示。

該P(yáng)ET輸入為7.2 kV的交流電，輸出為±120 V的交流電，中間為10 kV/400 V的DC/DC變換器。該P(yáng)ET的高壓級(jí)應(yīng)用15 kV/2 A SiC IGBTs，低壓級(jí)應(yīng)用600 V/100 A GaN MOSFET。初步的非線性化設(shè)計(jì)表明該拓?fù)浜啙嵖捎?，效率雖低但可達(dá)90%。拓?fù)鋬?yōu)化、新型變壓器材料和軟開關(guān)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)效率的提升大有裨益。

2010年，F(xiàn)REEDM系統(tǒng)中心研制出的第一代PET(Gen-1)并未采用碳化硅器件，而是應(yīng)用了6.5 kV/20 A的Si IGBT模塊。表6對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了簡單介紹。Gen-1的輸入級(jí)用三個(gè)H橋級(jí)聯(lián)以承受7.2 kV高壓，隔離級(jí)應(yīng)用了雙有源橋(dual active bridge，DAB)，整體ISOP的形式[75]。與圖9的拓?fù)湎啾容^，其結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，器件數(shù)量較多。

圖9 一種基于寬禁帶半導(dǎo)體器件的10 kVA單相PET[78]Fig.9 10 kVA single-phase PET based on wide bandgap semiconductor devices[78]

文獻(xiàn)[79-85]介紹了FREEDM系統(tǒng)中心研制的可與電網(wǎng)互聯(lián)的無工頻變壓器智能變電站(transformerless intelligent power substation，TIPS)。TIPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示，采用NPC結(jié)構(gòu)。

TIPS的輸入接13.8 kV的三相配電網(wǎng)，輸出接480 V的三相公共電網(wǎng)。高壓級(jí)應(yīng)用的開關(guān)器件為15 kV/20 A的SiC IGBT/JBS Diode模塊，低壓級(jí)為1 200 V/100 A的SiC MOSFET/JBS Diode模塊。高壓側(cè)由于15 kV碳化硅器件的應(yīng)用，無須級(jí)聯(lián)，使得開關(guān)器件數(shù)量大大減少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大簡化。

表6 采用硅基電力電子器件的典型PET[6,70-76]

圖10 TIPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[79-85]Fig.10 TIPS topology[79-85]

文獻(xiàn)[79]指出TIPS將會(huì)是分布式變壓器有效的替代方案，除與電網(wǎng)互聯(lián)，也能改善饋線電壓曲線。因碳化硅器件的運(yùn)用，其效率有望突破98%。文獻(xiàn)[80]提出一種AC-link拓?fù)渑c圖10拓?fù)溥M(jìn)行了比較，結(jié)論指出TIPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大功率場合的可靠性和適用性更高。文獻(xiàn)[81]則研究了TIPS高壓直流環(huán)節(jié)存在的穩(wěn)定性問題，具體闡述了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的各種控制方式和參數(shù)設(shè)置。文獻(xiàn)[82]闡述了TIPS的各種優(yōu)勢，諸如單位功率因數(shù)運(yùn)行、功率流可受控雙向流動(dòng)、提供無功補(bǔ)償、具有高頻隔離直流鏈路、較小的尺寸和質(zhì)量以及進(jìn)行可再生能源的整合等。同時(shí)，著重介紹了在較低電壓功率水平下的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，諸如平穩(wěn)啟動(dòng)與關(guān)閉策略，各模塊的故障保護(hù)，負(fù)載瞬變時(shí)的性能等。

文獻(xiàn)[83-84]對(duì)TIPS進(jìn)行了概括性介紹，對(duì)在高壓級(jí)應(yīng)用不同器件進(jìn)行了比較，并對(duì)基于15 kV SiC IGBTs的樣機(jī)原型進(jìn)行了試驗(yàn)。在2.3 kW的傳輸功率，直流母線電壓4 kV的情況下，測得效率為96.75%。其原型如圖11所示，圖11(a)為基于15 kV SiC IGBTs的前端變換器(front-end converter，F(xiàn)EC)；圖11(b)上層為基于15 kV SiC IGBTs的三相NPC DAB，中層為基于1 200 V SiC MOSFET的低壓級(jí)變換器，下層為高頻變壓器。

從圖10可見，TIPS含有800 V直流端口與480 V的交流端口，故使得分布式儲(chǔ)能裝置(distributed energy storage device，DESD)與13.8 kV配電網(wǎng)的集成成為可能。文獻(xiàn)[85]即探討了TIPS與表示DESD的模型集成時(shí)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)行為，除了進(jìn)行仿真研究外，在縮小電壓和功率水平情況下，在原型上也進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖11 TIPS原型[83-84]Fig.11 TIPS prototype[83-84]

文獻(xiàn)[86]對(duì)三種交變交PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論與分析。三種PET均為實(shí)現(xiàn)單相7.2 kV分布式電網(wǎng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，低壓側(cè)輸出為240 V/120 V AC，并均用到15 kV SiC模塊。三種結(jié)構(gòu)可分別稱為單級(jí)(I型)、二級(jí)(Ⅲ型)和三級(jí)(Ⅳ型)。單級(jí)為緊湊型不含直流環(huán)節(jié)的AC/AC變換。在三種類型中，單級(jí)PET尺寸最小，為55.9 cm×58.4 cm×17.8 cm(三級(jí)PET尺寸為91.4 cm×63.5 cm×43.2 cm)，實(shí)驗(yàn)測得其效率最高，可達(dá)97%。但如含直流端口，無功補(bǔ)償?shù)热?jí)PET所具有的功能缺乏。圖12為單級(jí)AC/AC PET的原型。圖13為單級(jí)AC/AC PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖12 單級(jí)AC/AC PET原型[86-88]Fig.12 One-stage AC/AC PET prototype[86-88]

文獻(xiàn)[86-88]對(duì)該P(yáng)ET進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。與上文所介紹的PET不同，該P(yáng)ET隔離級(jí)采用了電流源串聯(lián)諧振變換器(series resonant converter, SRC)，而非DAB結(jié)構(gòu)，并且只用到兩個(gè)15 kV SiC MOSFETs組合器件：P1和P2。該P(yáng)ET在功能上可以實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入條件下的SiC MOSFETs的零電壓開關(guān)，并在輸入電壓7.2 kV、傳輸功率為1～12 kW的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。同時(shí)實(shí)驗(yàn)測得，該P(yáng)ET的效率在多數(shù)負(fù)載條件下高于97%。綜合結(jié)果表明，上述設(shè)計(jì)對(duì)于緊湊布局、降低成本和提升效率有較大幫助。

2018年FREEDM系統(tǒng)中心提出一種基于固態(tài)變壓器的移動(dòng)公用支持設(shè)備(utilities support equipment based SST，MUSE-SST)。MUSE-SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖14所示，其高壓級(jí)采用了第三代10 kV SiC MOSFET模塊[89-90]。文獻(xiàn)[89]對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建模塊進(jìn)行了研究與測試，還對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器、熱解決方案以及磁性元件寄生電容對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[90]則主要討論了該系統(tǒng)的保護(hù)方案，并針對(duì)短路保護(hù)，設(shè)計(jì)了專用驅(qū)動(dòng)器。MUSE-SST有望成為配電網(wǎng)變壓器良好的替代方案，也可作為移動(dòng)設(shè)備以便變壓器故障時(shí)立即更換。

3.2 ETH的相關(guān)研究

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室較早便開展PET研究，并應(yīng)用SiC器件研制出了多種應(yīng)用于不同場合的PET或PET用變換器。文獻(xiàn)[91]介紹了實(shí)驗(yàn)室研制的基于10 kV 以及1 200 V SiC MOSFET的可用于連接中壓電網(wǎng)的PET用隔離型DC/DC(8 kV/400 V)變換器，并搭建了25 kW/50 kHz的原型。測試原型效率高達(dá)99.17%，功率密度達(dá)5.8 kW/dm3。文獻(xiàn)[92]介紹了采用全碳化硅器件的感應(yīng)電力傳輸(inductive power transfer，IPT)電力電子變換器，其硬件組裝圖如圖15所示。該變換器的效率高達(dá)98.62%，功率密度達(dá)9.5 kW/dm3(6.8 kW/kg)。

文獻(xiàn)[93]提出了針對(duì)中壓交流到低壓直流PET的前端隔離(isolated front end，IFE)概念，采用SiC器件設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)5單元級(jí)聯(lián)ISOP型25 kW 6.6 kV AC/400 V DC IFE SST(S3T)。每個(gè)PET單元的功率密度達(dá)1.5 kW/L。與傳統(tǒng)后端隔離型(isolated back end，IBE)PET相比，兩者的效率相當(dāng)。這使得S3T在空間體積和質(zhì)量要求較高的情況下更具競爭力。圖16為S3T結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13 單級(jí)AC/AC PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[86-88]Fig.13 One-stage AC/AC PET topology[86-88]

圖14 MUSE-SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[89-90]Fig.14 MUSE-SST topology[89-90]

圖15 IPT PET 組裝圖[92]Fig.15 IPT PET assembly drawing[92]

圖16 S3T結(jié)構(gòu)示意圖[93]Fig.16 Schematic diagram of the S3T structure[93]

除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，高頻變壓器的研究也在穩(wěn)步進(jìn)行，文獻(xiàn)[94]即研究了飛機(jī)或輪船用基于10 kV SiC器件的166 kW PET。該P(yáng)ET的DC/DC諧振變換器采用空心變壓器，整體效率與應(yīng)用傳統(tǒng)變壓器相當(dāng)(約為99%)，但其質(zhì)量只有傳統(tǒng)變壓器的41%。

為滿足數(shù)據(jù)中心電能供應(yīng)極高的要求，同時(shí)提高電能供應(yīng)鏈的效率，實(shí)驗(yàn)室還研制了可用于連接中壓(medium voltage，MV)電網(wǎng)和400 V直流總線的PET，進(jìn)而可為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器直接供電。該數(shù)據(jù)中心用PET的研制包含兩個(gè)部分：MV AC/DC功率因數(shù)校正(power factor correction，PFC)整流器、DC/DC隔離變換器。文獻(xiàn)[95]針對(duì)前一部分，基于10 kV SiC MOSFET的25 kW單相3.8 kV AC/7 kV DC PFC整流器進(jìn)行了說明。搭建的原型如圖17(a)所示，其尺寸為317 mm×166 mm×145 mm，功率密度為3.28 kW/L，滿載效率高達(dá)99.1%。文獻(xiàn)[96]則介紹了采用10 kV SiC MOSFET和1.2 kV SiC MOSFET的25 kW、48 kHz、7 kV DC/400 V DC LLC SRC。搭建的原型如圖17(b)所示，其尺寸為156 mm×100 mm×46 mm，實(shí)驗(yàn)測得功率密度為3.8 kW/L，滿載效率高達(dá)99%。

圖17 數(shù)據(jù)中心用PET樣機(jī)[95-96]Fig.17 PET prototype for data center[95-96]

3.3 其他的相關(guān)研究

文獻(xiàn)[97]介紹了由Cree、GE、Powerex和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院于2011年共同推出的由24個(gè)SiC MOSFET和10個(gè)SBD組裝而成的10 kV/120 A半橋模塊。該模塊成功應(yīng)用于額定功率1 MVA的單相固態(tài)變電站(solid state power substation，SSPS)。

圖18 GE研制的部分樣機(jī)[97-98]Fig.18 Some prototypes developed by GE [97-98]

文獻(xiàn)[99]介紹了弗吉尼亞理工研制的用于公共事業(yè)用智能通用變壓器。它的最高輸入為8 kV AC、輸出為240 V AC。該P(yáng)ET應(yīng)用器件為1 200 V/80 mΩ的SiC MOSFET和1 200 V/20 A的SiC Diode商業(yè)器件，故在結(jié)構(gòu)上采用了10級(jí)級(jí)聯(lián)的ISOP結(jié)構(gòu)。每一級(jí)包含有源前端變換器和LLC隔離DC/DC諧振變換器，10級(jí)并聯(lián)輸出得到400 V直流，再經(jīng)過DC/AC軟開關(guān)逆變器得到240 V交流。實(shí)驗(yàn)測得各部分的峰值效率可達(dá)99%。

文獻(xiàn)[100]介紹了弗吉尼亞理工大學(xué)研制的高頻模塊化PET，PET模塊的構(gòu)造采用了多種額定值為1 700 V的碳化硅器件。模塊化PET結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D19所示，其中間隔離級(jí)為軟開關(guān)CLLC諧振變換器，頻率接近180 kHz。通過對(duì)50 kVA的模塊原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其整體效率可達(dá)98.5%。

圖19 模塊化PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[100]Fig.19 Modular PET topology[100]

4 總結(jié)

碳化硅是寬禁帶功率半導(dǎo)體材料，也是第三代功率半導(dǎo)體材料的典范。碳化硅電力電子器件及相關(guān)裝置的發(fā)展對(duì)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的建設(shè)將起到極大的推動(dòng)作用，是促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

近年來，碳化硅電力電子器件發(fā)展迅速，對(duì)于在高壓大功率場合應(yīng)用的SiC MOSFET，已有相當(dāng)高耐壓等級(jí)的樣品問世并成功應(yīng)用。在商業(yè)產(chǎn)業(yè)化方面，諸多公司的1 700 V電壓等級(jí)產(chǎn)品也已成功量產(chǎn)銷售。

隨著“智能電網(wǎng)”“分布式發(fā)電”等概念的興起，PET作為一種新型電力電子化裝置自20世紀(jì)90年代起便備受關(guān)注。但因硅基器件耐壓水平有限，早期的突破點(diǎn)多在于拓?fù)涞膭?chuàng)新與改善。諸如CHB、MMC等方法會(huì)引入大量的元件從而給PET的控制、保護(hù)、效率等帶來難題。

應(yīng)用碳化硅電力電子器件為突破上述PET發(fā)展瓶頸提供了一種新思路。尤其近十年來，隨著碳化硅電力電子器件日新月異，多種應(yīng)用相關(guān)器件的PET樣機(jī)問世，與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，顯示出了強(qiáng)勁優(yōu)勢。雖然PET因其價(jià)格、保護(hù)、高頻變壓器的優(yōu)化、工況下大功率流的處理[101]等一系列問題還有很長普及之路要走，但這對(duì)下一代電能變換與傳輸、下一代電網(wǎng)的建設(shè)提供了新思路，開拓了新路徑。