應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的碳化硅電力電子技術(shù)

姬世奇，趙爭(zhēng)鳴，王飛

(1.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；2.田納西大學(xué) 電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)，美國(guó) 諾克斯維爾 37996)

電力電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中壓系統(tǒng)(電壓等級(jí)為交流電壓1～35 kV)，包括中壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和中壓配電網(wǎng)并網(wǎng)變換器。其中，中壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(電壓等級(jí)為2.3～13.8 kV，功率至幾十兆瓦)大量應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、擠壓機(jī)、攪拌機(jī)、礦井、艦船推進(jìn)系統(tǒng)等。而在中壓配電網(wǎng)中，電力電子裝置的應(yīng)用更是越來(lái)越廣泛，典型應(yīng)用包括：①用戶用電設(shè)備的電力電子裝置，包含潮流控制裝置[1](如固態(tài)電源切換開(kāi)關(guān)、固態(tài)斷路器和故障電流限制器)、電力調(diào)節(jié)裝置[2](如靜態(tài)同步補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器)以及有源濾波裝置[3]；②用于多樣性能源的電力電子裝置，包含新能源接口變換器[4](如太陽(yáng)能、風(fēng)力機(jī))、儲(chǔ)能設(shè)備接口變換器[5](如蓄電池、飛輪儲(chǔ)能)以及直流和交流微電網(wǎng)的各類接口變換器[6]；③新型電力電子裝置[7-8](如電力電子變壓器等)。未來(lái)配電網(wǎng)中需要大量的高性能中壓電力電子裝置，其中最關(guān)鍵的就是功率半導(dǎo)體器件。

現(xiàn)有電力電子裝置大多使用傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件，碳化硅功率器件作為一種新型的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件，在近些年飛速發(fā)展[9-29]。相較于傳統(tǒng)硅基功率器件，碳化硅器件在器件特性方面擁有更大的優(yōu)勢(shì)，包括更高的耐壓能力、更小的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗、更高的開(kāi)關(guān)頻率以及更高的工作結(jié)溫。合理利用這些器件特性，可以使得應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)中的電力電子裝置獲得更好的特性。碳化硅器件可以通過(guò)以下途徑應(yīng)用到中壓電力電子裝置中：①將傳統(tǒng)硅器件直接替換成碳化硅器件，提高變換器的效率和功率密度[25]；②使用電壓等級(jí)更高、開(kāi)關(guān)頻率更快的碳化硅器件可以簡(jiǎn)化變換器的拓?fù)?，進(jìn)一步提高效率和功率密度[26]；③基于碳化硅的變換器由于開(kāi)關(guān)頻率更高，控制帶寬也更高，可以實(shí)現(xiàn)更多的并網(wǎng)功能[30]。

碳化硅器件的開(kāi)關(guān)速度比傳統(tǒng)硅器件更快，dv/dt從傳統(tǒng)硅器件的3 V/ns增加到50 V/ns[21]，因此也帶來(lái)了更高的電應(yīng)力和更大的電磁干擾，而這給其應(yīng)用帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，包括封裝技術(shù)、門極驅(qū)動(dòng)、抗電磁干擾設(shè)計(jì)等。

1 碳化硅器件的發(fā)展

1.1 與傳統(tǒng)硅器件的比較

碳化硅器件在電壓等級(jí)、導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)速度方面都體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，主要原因是其擁有更好的材料特性。碳化硅有多種多形體，包括3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC等，其中4H-SiC的載流子遷移率更高、雜質(zhì)電離能更小，其在功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用最為廣泛。表1給出了硅與4H-SiC材料關(guān)鍵特性的比較。

表1 硅和4H-SiC材料關(guān)鍵特性比較Tab.1 Comparisons of properties of Si and 4H-SiC

由表1可以看出，碳化硅擁有更好的材料特性。碳化硅功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1.1 單位面積導(dǎo)通電阻

在相同的電壓等級(jí)下，碳化硅器件的單位面積導(dǎo)通電阻更小。由于碳化硅的擊穿場(chǎng)強(qiáng)EB是硅的10倍，在相同的電壓等級(jí)下，碳化硅器件基區(qū)的摻雜可以更高(達(dá)到硅的10倍)，基區(qū)寬度可以更窄(硅器件的十分之一)。對(duì)于單極性的功率半導(dǎo)體器件〔例如肖特基二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)〕，更高的基區(qū)摻雜和更窄的基區(qū)厚度都會(huì)使得碳化硅器件的單位面積導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于硅器件[29]。圖1所示為硅和碳化硅器件單位面積導(dǎo)通電阻的比較曲線，圖中“★”處為各代(Gen)器件相關(guān)參數(shù)值。

圖1 硅和碳化硅單位面積導(dǎo)通電阻比較Fig.1 Comparisons of specific on-resistance of Si and SiC

1.1.2 開(kāi)關(guān)速度

由于碳化硅擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高，飽和漂移速度更快，碳化硅器件的開(kāi)關(guān)速度更快[21]，原因?yàn)椋孩儆捎趩挝幻娣e導(dǎo)通電阻更小，碳化硅器件的芯片面積更小，因此器件結(jié)電容也更?。虎趯?duì)于雙極性器件〔(例如PiN二極管和絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)〕，碳化硅器件的載流子壽命更短；③在關(guān)斷過(guò)程中，少數(shù)載流子掃出基區(qū)的速度由飽和漂移速度決定，碳化硅飽和漂移速度是硅的2倍。圖2所示為碳化硅和硅器件開(kāi)關(guān)瞬態(tài)波形的比較，其中，vds為碳化硅器件電壓，id為碳化硅器件電流，vce為硅器件電壓，ic為硅器件電流，Eoff為器件關(guān)斷損耗。圖2(a)中，dv/dt=38 V/ns，當(dāng)測(cè)試條件為直流母線電壓7 kV、負(fù)載電流15 A時(shí)，Eoff=5.2 mJ；圖2(b)中，dv/dt=3 V/ns，當(dāng)測(cè)試條件為直流母線電壓5 kV、負(fù)載電流560 A時(shí)，Eoff=4 mJ。由此可以看出碳化硅器件比硅器件快很多。

1.2 碳化硅器件的發(fā)展

1.2.1 二極管

傳統(tǒng)硅器件單極性二極管的導(dǎo)通電阻較大，因此硅器件二極管以雙極性PiN二極管為主。由于碳化硅器件單位面積導(dǎo)通電阻大大降低，沒(méi)有反向恢復(fù)過(guò)程的單極性JBS二極管更為常見(jiàn)[9]。JBS二極管的適用電壓范圍可以達(dá)到10 kV，在10 kV電壓等級(jí)下單位面積導(dǎo)通電阻只有80 mΩ/cm2，而碳化硅1.2 kV的JBS二極管已經(jīng)獲得商用，在很多場(chǎng)合開(kāi)始取代原有的硅基二極管。也有研究人員針對(duì)高壓應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)發(fā)了碳化硅的PiN二極管[10]，導(dǎo)通損耗很低，例如10 kV的碳化硅PiN二極管單位面積導(dǎo)通電阻只有7.6 mΩ/cm2，而且碳化硅PiN二極管的反向恢復(fù)很小，只有硅PiN二極管的1%。

圖2 硅和碳化硅器件關(guān)斷瞬態(tài)波形的比較Fig.2 Comparisons of turn-off transient waveforms of Si and SiC devices

1.2.2 單極性可控器件

傳統(tǒng)硅的單極性器件一般只用在電壓等級(jí)小于1 kV的場(chǎng)合(例如650 V的硅基MOSFET)，而碳化硅器件由于更小的單位面積導(dǎo)通電阻，應(yīng)用范圍更加廣泛[11-22]。1.2 kV和1.7 kV碳化硅MOSFET近年來(lái)發(fā)展迅速，性能和可靠性持續(xù)改善，已經(jīng)開(kāi)始了商業(yè)化推廣。碳化硅的單極性器件甚至可以用于更高電壓等級(jí)，如Wolfspeed開(kāi)發(fā)了10 kV和15 kV的碳化硅MOSFET，單位面積導(dǎo)通電阻只有100 mΩ/cm2和208 mΩ/cm2，USCi也推出了6.5 kV碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(junction field effect transistor，JFET)，單位面積導(dǎo)通電阻為126 mΩ/cm2。由于單極性器件沒(méi)有拖尾過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗更低，例如10 kV碳化硅MOSFET在3 kV直流母線、10 A負(fù)載電流下的開(kāi)關(guān)損耗只有3.2 mJ，而6.5 kV硅基IGBT在同樣的測(cè)試條件下開(kāi)關(guān)損耗高達(dá)118 mJ。但是碳化硅的單極性可控器件還存在門極老化、體二極管可靠性等問(wèn)題。

1.2.3 雙極性可控器件

雙極性功率半導(dǎo)體器件由于存在少子導(dǎo)電的機(jī)制，其單位面積導(dǎo)通電阻比單極性器件要小很多。碳化硅的雙極性器件通常只應(yīng)用于非常高的電壓等級(jí)[23]，如22 kV碳化硅的ETO[24]，目前大部分只停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的樣片，離下一步的商業(yè)化較遠(yuǎn)。圖3所示為目前已有的碳化硅器件種類以及對(duì)應(yīng)的電壓電流等級(jí)，圖中BJT為雙極結(jié)型晶體管。

圖3 碳化硅器件種類及電壓電流等級(jí)Fig.3 Rated voltage and current grades of SiC devices

1.3 碳化硅器件應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 器件替換

由于碳化硅器件的低導(dǎo)通損耗、無(wú)反向恢復(fù)特性、高開(kāi)關(guān)速度，將傳統(tǒng)的硅器件直接替換成碳化硅器件，可以提高變換器的效率：由于碳化硅器件損耗更小，因此器件替換后散熱系統(tǒng)也更?。欢矣捎谔蓟杵骷_(kāi)關(guān)損耗小，因此開(kāi)關(guān)頻率可以更高，這樣就可以減小變換器無(wú)源器件(例如濾波電感)的體積[24]。

1.3.2 拓?fù)浜?jiǎn)化

功率半導(dǎo)體器件電壓等級(jí)的提高有助于拓?fù)涞暮?jiǎn)化。如果使用硅基的功率半導(dǎo)體器件，對(duì)于3.3 kV和4.16 kV的電壓等級(jí)，可以使用三電平變換器，對(duì)于6.6 kV電壓等級(jí)，則需要復(fù)雜的五電平的拓?fù)洌蝗绻褂锰蓟杵骷?，?.3 kV和4.16 kV的電壓等級(jí)，只要使用簡(jiǎn)單的兩電平拓?fù)?，?.6 kV電壓等級(jí)，也可以使用較為簡(jiǎn)單的三電平拓?fù)洌梢钥吹教蓟枳儞Q器的拓?fù)涓?jiǎn)單[26]。在中壓配電網(wǎng)的硅基電力電子變換中，一種常用的拓?fù)涫堑蛪簝呻娖阶儞Q器配合工頻升壓變壓器，在使用碳化硅器件后，工頻變壓器可以被高頻變壓器取代(例如電力電子變壓器)。拓?fù)涞暮?jiǎn)化有助于提高效率和功率密度，同時(shí)可以降低成本，提高可靠性。

1.3.3 并網(wǎng)功能

傳統(tǒng)的中壓配電網(wǎng)硅基電力電子變換器開(kāi)關(guān)頻率通常為0.5～1 kHz，而使用碳化硅器件后，開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到10 kHz，這大大提高了控制帶寬[30-31]。更高的開(kāi)關(guān)頻率和控制帶寬帶來(lái)了更多的并網(wǎng)功能，包括：①碳化硅的變換器可以提供有源濾波功能，而不需要專門再安裝獨(dú)立的有源濾波器；②碳化硅的變換器可以作為電網(wǎng)穩(wěn)定器來(lái)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；③碳化硅變換器有更好的瞬態(tài)特性，例如更加平滑的工作模式切換、低電壓穿越、黑啟動(dòng)等。

2 碳化硅器件應(yīng)用的挑戰(zhàn)

盡管碳化硅器件較硅器件更有優(yōu)勢(shì)，但由于其開(kāi)關(guān)速度更快，這也帶來(lái)了其應(yīng)用過(guò)程中的挑戰(zhàn)，主要來(lái)自于碳化硅器件開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的小時(shí)間尺度(ns至ms)，包括封裝、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、抗干擾等。

2.1 封裝技術(shù)

圖4所示為典型的功率半導(dǎo)體模塊封裝，封裝設(shè)計(jì)中存在電、熱、機(jī)械等多方面的挑戰(zhàn)[32-38]。

圖4 功率半導(dǎo)體模塊封裝Fig.4 Package of power semiconductor module

2.1.1 電氣絕緣設(shè)計(jì)

由于一方面碳化硅器件的電壓等級(jí)更高，另一方面其dv/dt更高，因此與傳統(tǒng)硅器件封裝相比，碳化硅器件封裝更有可能發(fā)生局部放電。在器件封裝設(shè)計(jì)中，電氣絕緣主要通過(guò)硅膠填充和陶瓷絕緣基板實(shí)現(xiàn)。

在模塊封裝中，碳化硅芯片與覆銅基板相聯(lián)的通常為芯片的漏極，反面(圖4中芯片的頂面)為芯片的源極，碳化硅芯片的厚度很窄(例如10 kV碳化硅MOSFET只有100 μm)，因此芯片漏極和源極之間的絕緣依賴于芯片表面的絕緣帶。然而由于芯片本身面積有限，絕緣帶寬度通常也很小，這就使得其承受的表面場(chǎng)強(qiáng)很高(例如10 kV碳化硅MOSFET絕緣帶寬度為1.375 mm，表面場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到7.3 kV/mm)[21]。為防止沿芯片表面發(fā)生放電，需要在封裝中填充硅膠，而且需要在真空環(huán)境中完成硅膠的填充，這樣可以確保硅膠中不會(huì)存在氣泡，進(jìn)而引起芯片沿面局部放電。由于碳化硅器件芯片面積比硅器件小很多，碳化硅模塊的功率密度可以比硅器件模塊更高；但是由于模塊的導(dǎo)體端口會(huì)暴露在空氣中，為了滿足絕緣和爬電距離，可能需要體積更大的封裝。為了實(shí)現(xiàn)功率密度更高的模塊封裝，可以將導(dǎo)體端口也通過(guò)硅膠塑封實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，減小對(duì)絕緣和爬電的距離需求。

在功率半導(dǎo)體模塊封裝中，基板可以接地，而芯片屬于高壓端，芯片和基板之間的絕緣通過(guò)陶瓷絕緣板實(shí)現(xiàn)。與硅器件相比，碳化硅器件陶瓷絕緣板需要更高的絕緣能力[32]，而且陶瓷絕緣板的尖端承受更高的場(chǎng)強(qiáng)，在高dv/dt下很容易發(fā)生局部放電。為了實(shí)現(xiàn)更均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，可以使用多層絕緣陶瓷基板。

2.1.2 寄生參數(shù)設(shè)計(jì)

由于碳化硅器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中di/dt很大，要求主電路的雜散電感盡可能小，例如10 kV/240 A碳化硅MOSFET的di/dt達(dá)到10 A/ns，如果雜散電感為100 nH，則會(huì)產(chǎn)生1 kV的電壓尖峰[28]。主電路的雜散電感包括封裝內(nèi)部的雜散電感和封裝外部的母排雜散電感，母排雜散電感的影響可以通過(guò)使用吸收電容來(lái)進(jìn)行抑制，而封裝內(nèi)部的雜散電感則需要通過(guò)優(yōu)化封裝內(nèi)部的芯片布局及走線來(lái)實(shí)現(xiàn)。門極的雜散參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)特性影響也很大，因此對(duì)于碳化硅器件，通常需要使用Kelvin四端接法。

在傳統(tǒng)硅器件中，封裝寄生電容的影響較小，而在碳化硅器件中，封裝寄生電容對(duì)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的影響比較明顯。較大的寄生電容一方面帶來(lái)更高的開(kāi)關(guān)損耗，另一方面會(huì)產(chǎn)生較高的共模干擾電流，因此在碳化硅器件封裝中，需要對(duì)寄生電容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。封裝中的寄生電容主要由關(guān)鍵走線(也就是橋臂中點(diǎn)的走線)和覆銅基板之間的面積決定，因此可以通過(guò)優(yōu)化兩者之間的耦合面積來(lái)降低封裝的寄生電容[34-35]。

圖5給出了考慮高電壓絕緣、低雜散參數(shù)設(shè)計(jì)的10 kV碳化硅MOSFET的H橋模塊封裝[37]。

圖5 10 kV碳化硅MOSFET的H橋模塊Fig.5 H-bridge module of 10 kV SiC MOSFET

2.2 門極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

門極驅(qū)動(dòng)的功能是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以有效驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件的通斷，因此門極驅(qū)動(dòng)一方面要求可以盡可能發(fā)揮出碳化硅的高開(kāi)關(guān)速度，另一方面又需要保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定。圖6所示為門極驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中控制信號(hào)的電氣隔離通過(guò)光纖傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，門極驅(qū)動(dòng)IC和門極電阻需要根據(jù)功率半導(dǎo)體器件的特性進(jìn)行選擇，隔離電源的設(shè)計(jì)需要考慮小寄生電容和高隔離電壓。門極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮保護(hù)和門極串?dāng)_[39-46]。

圖6 功率半導(dǎo)體器件門極驅(qū)動(dòng)Fig.6 Gate driver of power semiconductor

2.2.1 門極保護(hù)

與傳統(tǒng)硅器件相似，碳化硅的門極驅(qū)動(dòng)保護(hù)也需要包含驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)、器件過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流與短路保護(hù)，其中碳化硅器件和硅器件驅(qū)動(dòng)在過(guò)流與短路保護(hù)的設(shè)計(jì)中存在較大不同，傳統(tǒng)硅器件可承受的短路時(shí)間通常超過(guò)10 μs，因此硅器件的短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間約為10 μs。但是對(duì)于碳化硅器件，由于其芯片的功率密度更高，其可承受短路時(shí)間更短，一般在10 μs以內(nèi)，而高壓碳化硅器件可承受短路時(shí)間更短(例如10 kV碳化硅MOSFET的可承受短路時(shí)間只有2 μs)[41]?？紤]到碳化硅器件可承受短路時(shí)間比傳統(tǒng)硅器件短很多，而此要求碳化硅器件的短路保護(hù)響應(yīng)速度比傳統(tǒng)硅器件更快[42]。而快速短路保護(hù)帶來(lái)了由于干擾而誤觸發(fā)的問(wèn)題，碳化硅器件的高dv/dt使得干擾更加明顯；因此，門極保護(hù)設(shè)計(jì)需要綜合考慮快速響應(yīng)和抗干擾的問(wèn)題。

2.2.2 門極串?dāng)_

門極串?dāng)_指開(kāi)關(guān)管的門極電壓由于受到對(duì)管開(kāi)通和關(guān)斷的影響而產(chǎn)生波動(dòng)的現(xiàn)象。門極串?dāng)_現(xiàn)象主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①當(dāng)對(duì)管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管電壓迅速上升，高dv/dt通過(guò)米勒電容給門極充電，使得開(kāi)關(guān)管門極電平高于導(dǎo)通閾值，進(jìn)而引起橋臂直通；②當(dāng)對(duì)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管電壓迅速下降，高dv/dt通過(guò)米勒電容給門極放電，使得門極電平低于門極可承受負(fù)壓，進(jìn)而引起門極擊穿?？梢钥吹介T極串?dāng)_的發(fā)生增加了器件失效的風(fēng)險(xiǎn)，而碳化硅器件dv/dt更高，因此更容易出現(xiàn)門極串?dāng)_。對(duì)此，提出了很多防止門極串?dāng)_發(fā)生的方案，包含門極阻抗控制、門極電壓控制等[44]，這些防止門極串?dāng)_的控制都需要額外的硬件電路以及控制算法，增加了驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜程度。在決定是否使用這些防止門極串?dāng)_的方法前，需要針對(duì)特定器件進(jìn)行門極串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。門極串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)取決于米勒電容和門極電容的比例，對(duì)于電壓等級(jí)較低的碳化硅器件，該比例越高(例如1.2 kV碳化硅MOSFET，為5.4×10-3)，則門極串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)越高，通常需要抗門極串?dāng)_的電路；而對(duì)于高壓碳化硅器件，該比例較低(例如10 kV碳化硅MOSFET，僅為0.7×10-3)，則門極串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)較低，可以不增加抗門極串?dāng)_的電路。

2.3 電磁干擾問(wèn)題

由于碳化硅變換器通常使用緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功率密度很高，由此也帶來(lái)了更大的寄生電容參數(shù)?？紤]到碳化硅器件的高dv/dt，碳化硅變換器面臨非常嚴(yán)重的電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)必要的EMI濾波器來(lái)滿足相關(guān)的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

在硅基變換器中，器件開(kāi)關(guān)頻率只有1 kHz左右，為了滿足電能質(zhì)量要求，通?？蛇x擇的調(diào)制方法有限，例如空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)、特定諧波消除脈寬調(diào)制(selective harmonic elimination pulse width modulation，SHEPWM)等。而碳化硅變換器開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾十kHz，調(diào)制方法選擇的靈活度更大，一些可以抑制EMI的調(diào)制策略[47](如NSPWM、AZSPWM[48]等)，也可以被用在碳化硅變換器中。

3 碳化硅器件在配電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 新能源并網(wǎng)變換器

近年來(lái)，光伏、風(fēng)能等新能源發(fā)展迅速，高性能的并網(wǎng)變換器至關(guān)重要。圖7所示為使用10 kV碳化硅器件的12.4 kV兆瓦級(jí)光伏并網(wǎng)變換器[49]，由Danfoss公司和美國(guó)田納西大學(xué)聯(lián)合研發(fā)。由于變換器不需要體積龐大的基頻變壓器，因此大量減少了無(wú)源器件，變換器功率密度得到了很大的提高。

圖7 基于高壓碳化硅器件的光伏并網(wǎng)變換器Fig.7 Photovoltaic grid-connected converter based on high voltage SiC

3.2 電力電子變壓器

電力電子變壓器可以取代傳統(tǒng)的50 Hz/60 Hz變壓器[15,31]，并且獲得以下優(yōu)勢(shì)：①相較于傳統(tǒng)的基頻變壓器，電力電子變壓器基于高頻變壓器，體積和重量都更??；②潮流可控。GE公司開(kāi)發(fā)了1 MVA 13.8 kV/265 V基于碳化硅器件的電力電子變壓器，如圖8所示，變壓器使用10 kV/120 A碳化硅MOSFET半橋模塊，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到20 kHz。電力電子變壓器基于模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊功率等級(jí)為250 kVA，1 MVA的電力電子變壓器重量為800 kg，只有傳統(tǒng)變壓器的三分之一。

圖8 基于高壓碳化硅器件的電力電子變壓器Fig.8 Electronic transformer based on high voltage SiC

3.3 配電網(wǎng)多端口變換器

多端口變換器可以連接不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，并且對(duì)不同端口的功率獨(dú)立控制，而且可以實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)相角解耦，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以多端口變換器也是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心部件。圖9所示為由清華大學(xué)研發(fā)的基于1.2 kV碳化硅MOSFET的1 MVA多端口變換器[50]，可以同時(shí)支持10 kV交流、10 kV直流、380 V交流、750 V直流電壓等級(jí)，研發(fā)的多端口變換器作為示范項(xiàng)目的一部分，已在廣東省東莞市運(yùn)行。

圖9 基于碳化硅器件的多端口變換器Fig.9 SiC based multi-terminal converter

4 結(jié)束語(yǔ)

碳化硅功率半導(dǎo)體器件近年來(lái)發(fā)展迅速，其在電壓等級(jí)、開(kāi)關(guān)速度等方面等優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件，而基于碳化硅器件的電力電子變換器也體現(xiàn)出3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：①由于散熱、無(wú)源器件等大量較少，功率密度更高，由于器件損耗很低，變換器效率更高；②可以簡(jiǎn)化拓?fù)?；③由于開(kāi)關(guān)頻率和控制帶寬更高，可以實(shí)現(xiàn)更多的并網(wǎng)功能。然而由于碳化硅器件開(kāi)關(guān)速度更快，也帶來(lái)了器件應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)，包括封裝、門極驅(qū)動(dòng)、EMI設(shè)計(jì)等方面，很多問(wèn)題尚未解決，仍然是目前的研究熱點(diǎn)。