SiC电力电子器件对电力系统的影响

　　众所周知，Si半导体电力电子器件可满足电力电子装置在功率大、工作速度快、通态电阻小、驱动功率低等方面的应用要求。然而，以Si为代表的传统半导体电力电子器件的水平基本稳定在10（功率半导体器件的功率频率乘积与半导体材料极限相对应），已逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。目前，基于SiC等宽禁带半导体材料的电力电子器件被认为是从根本上解决高击穿电压、高工作温度等方面要求的新一代器件，并有可能省去过流、过压、过温等保护装置，从而使其在大功率应用场合不必采用复杂的电路拓扑，以有效降低装置的故障率和成本。当然，基于SiC材料的新型器件还存在不少材料和工艺方面的问题，还需要大量的研究投入和时间才能逐步解决。本文重点讨论了SiC器件的优缺点及在电力系统中的应用情况，*后对SC器件的发展前景进行了总结。

　　SiC器件作为一种宽禁带半导体材料，SC不但具有击穿电场强度高、热稳定性好的特点，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点。根据SC材料的特点，SiC电力电子器件具有以下优点：SiC材料的禁带宽度是Si和GaAs的23倍，使得SiC器件能在相当高的电压和温度下工作；高饱和电子漂移速度和地介电常数决定了SiC器件的高频、高速工作性能；SiC热导率分别是Si的3 3倍和GaAs的10倍，这意味着SiC器件导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少散热系统，从而大大减小整机的体积；SC具有很高的临界移位能（4590eV），使SC器件有强的抗电磁波冲击（elcetrcrmagneticpulse，EMP）和抗辐射能力。

　　但现阶段SiC器件还存在不足。例如SiCMOSFE了在高温下，封装的内置二极管不可靠；另外，SiC材料昂贵，导致SiC器件成本较高，这主要因为天然SC非常稀少，在陨石坑内和地壳中只有少量的存在。尽管SC器件存在不足，但是其应用依然崭露头角，尤其是在电力系统中的应用，是继Si材料之后的又一研究方向。

　　SiC器件在电力系统中的应用近年来，电力电子技术成为电力系统领域*活跃的研究方向，以sc器件为代表的新型电力电子器件的出现，必将对电力系统产生巨大的影响，具体表现在以下几个方面。

　　2.1SiC器件对FACTS和HVDC装置的影响目前，已经有国外学者研制了基于10kVSiCMOSFE了的升压变换器、180kVA的基于SiC可关断晶闸管的三相逆变器、输出电压4kV功率为4kW的DC/DC升压变换器、基于SiC-FET的矩阵变换器等FACTS或HVDC装置。

　　SiC器件对FACTS装置的影响具体体现以下几个方面：**，中高压FACTS和HVDC装置是基于高阻断电压的SC器件进行设计的，该装置无需变压器就能够接入电网。主电路更加简洁，效率更高。第二，SC器件的耐高温特性，使FACTS和HVDC装置散热设计难度降低，可靠性更高。Si器件通常可承受的环境温度不超过125C，而SiC器件可承受500°C以上的高温。第三，SC器件的开关损耗更低，能够有效提高FACTS和HVDC装置的效率。当电力电子器件的开关频率较高时，开关损耗是器件总损耗的主要成分。

　　（a）是为测试电力电子器件损耗而搭建的测量平台示意图，图中V是输入电压，4是电感，TpA，TnA，SpA，SnA分别是对应上下桥臂的功率器件，输出部分的测量是交流电流，经过差分电路得到输出电压，和为滤波电容，U为输出电感，及是带负载时的输出电流，系统通过测量差分输出电压和负载电流来判断电子器件损耗。

　　（b）和（c）分别为IGBT的开通损耗和关断损耗，图中Pos为功率损耗。当直流侧电压增大时，其IGBT开关损耗增加；在2 450V对应的开通损耗分别为240pW和300pW；在尺=5A的情况下，V=300V与V=450V对应的关断损耗分别为200pW和260pW.由于IGBT在关断时电流的下降速度比开通时电流的上升速度慢很多，因此在相同直流电压的情况下，器件的关断损耗明显大于开通损耗。第四，SiC器件更适合于高电流密度FACTS和HVDC装置。为Si材料二极管（S！材料的肖特基二极管，型号为6CWQ10FN，100V/7A）与SiC材料二极管（SiC材料的肖特基二极管，型号为SDP06S60，600V/6A）正向压降比较示意图，图中d为二极管正向电流，Vd为二极管导通压降。从（a）可以看出，常温下Si器件二极管的通态电压降约为0.60.8V，并且具有饱和特性，在低温下内建电压及正向压降都有所升高，并且表现为恒定阻抗特性，压降随电流的增大而增大。

　　（b）表明SiC器件二极管不管在室温还是在低温下都具有恒定阻抗的特性，正向压降要比S器件二极管大，约为IV；同时（c）表明SiC器件二极管通态阻抗随温度的升高增加很明显；表明在小电流的情况下，SiC二极管的通态损耗要比S二极管的大，但是在大电流的情况下，SiC二极管的通态损耗要比S！二极管的损耗小。因此，SC二极管更适合大功率场合。

　　SC-IGBT开关损耗测试SiC二极管与Si二极管正向压降比较另外，SiC器件较Si器件能够工作在更高的开关频率，可以大大提高FACTS和HVDC装置的性能、减小装置中无源元件的容量和体积。因此，滤波器―；其次，SiCMOSFE了的开关损耗受环境温度影响较小，而SGB了的开关损耗受外部环境影响却很明显。不同温度下，SiCMOSFE了的开关损耗如所示，图中WlQSS为能量损耗。当温度高于150C时，MOSFE了的传输特性随温度变化很小，这表明，SCMOSFET随温度变化下的开关损耗较小；随着漏极电流的增加，SiCMOSFE了的开关损耗也随之增加，但是受外部环境温度变化的影响较小，而SIGB了的开关损耗受外部环境温度影响却很明显。

　　的效率相差很大，这是由于SC逆变器具有低损耗、高频率、高温度特性的特点。是一个风力发电系统框图，该系统分为两个部分：前端整流部分，由可控整流器件SG= 1，2，6）组成，将三相输入电压va，Vb和VC变换为中间直流电压；后端逆变部分，由SC-IGBT器件T（z=1，2，6）组成，将中间直流电压逆变为三相电压Vu，Vv和Vw，并通过滤波电感L连接至三相电网。在风力发电系统中使用SiC逆变器可以提高系统的效率，获得更多的输出功率，减小系统的体积和成本。另外，SC二极管和S快恢复二极管*明显的区别是：SiC二极管具有前向电压的正温度系数特性，而这一特性允许SC二极管并联运行，从而增加DC-AC整流器的额定功率（<30A）。

　　发电机整流中间直流并网逆变风力发电机为在使用SiC或Si整流器时，不同组成部分的功率损耗。当电力电子器件开关频率为5%）。在两个（SiC和Si）系统中，发电机的效率都是一样的（96. 4%），随着结温的上升，SiC整流器效率下降为。2%，而Si整流器的效率下降为3.2%；经过计算，滤波器的效率是一样的，对于SiCMOSFET，整流器的损耗较低，大约是SGBT整流器的40%.□整流器□滤波器-□发电机SiC变换器Si变换器*后，对于更高的开关频率，可以提高新能源发电系统中变流装置的性能、减小装置中无源元件的容量和体积，SC整流器的耐高温能力，使其与说整流器相比需要较少的散热费用和体积（1/8）。这是因为S电力电子器件受结温的限制（150c），其开关频率限制在320kHz，这使得无源滤波器的体积和重量比较大、成本较高；SiC器件的高温特性（结温>500C），使开关频率可以高达100kHz，从而降低了无源滤波器的体积，可以减小冷却系统的体积和成本，并且可以增加功率密度，在结温较高时损耗也较小。因此SiC器件的应用必然可以减小新能源发电系统中变流装置的重量和体积。

　　在新能源发电系统中，S！电力电子器件损耗导致的结温升高，使得冷却系统体积大、重量大；而使用高温度、高频率特性的SiC器件，使得基于SiC器件的电力电子电源转换器的损耗降低至基于Si器件的AC-DC-AC电源转换器损耗的1/3.风力发电、光伏发电装置大部分时间运行于较小的功率输出状态，使用SiC电力电子逆变器可以提高发电装置的效率，尤其是小功率时的效率提升效果更为明显。

　　2.3SiC器件对微网的影响发展微网及分布式发电系统被认为是减少温室气体排放和缓解能源危机的关键举措，但是使用传统S材料电力电子器件的微网中功率变换装置体积偏大、效率较低。SC材料电力电子器件因具有耐高压、低损耗、耐高温和反向恢复电流小等优良特性，特别适合应用于中压微网的功率变换装置中。SiC器件对微网的影响体现在以下几个方面。

　　首先，SiC器件阈值电压高，能够简化中压微网功率变换装置的主电路拓扑结构。

　　由可以看出，在给定掺杂浓度与本征层厚度后，可以得到相应的击穿电压。图中VV为阻断电压，为漂移区掺杂浓度。由于V1AR（其中Vb是导通压降，只。n是导通电阻）只与材料性质有关，因此通常用它来评价一种材料用作电力电子器件的优劣。理论上材料的*大性能为Vzb/R.n=nes（。2Ec/3）3为临界击穿电场。

　　因为SiC器件的临界击穿电场约为Si的10倍，所以SiC材料的性能约为Si材料性能的1 000倍，理论上Si器件的*大性能为4MW/cm2，而对于SiC器件，可为4000MW/cm2.因此SiC材料可以做到更高的功率等级，适合应用于中高压微网场合，从而简化中压微网功率变换装置的主电路拓扑结构。

　　其次，SiC器件在高电流密度下通态损耗小，且是正温度系数，便于扩展微网功率变换装置的容量。

　　为SiC二极管与Si二极管温度特性曲线。图中Vf为前向电压，6为封装表面温度。S二极管具有负的温度曲线，温度越高正向压降越小；而SiC二极管具有正的温度曲线，这种特性对并联均流有利，当某个器件上的电流过大导致温度升高时，它的压降就升高，这样电流就向其他并联支路上分流。

　　另外，SiC器件关断时间更短、反向恢复电流小、关断损耗小，优良的动态性能能够提高微网功率变换装置的效率、稳定性和可靠性。

　　二极管的一个很重要的参数就是关断时间。器件的开关速度取决于i区厚度及载流子寿命与饱和速度。提高i区厚度可以提高器件的击穿电压，但这样会降低器件的开关速度；如果为了提高器件的工作频率而采用更薄的i区又会带来击穿电压的下降。由于SiC材料优良的特性，给击穿电压与开关速度的折衷带来很大的余地。

　　1.5kV/10A的SiCMOSFET器件的开通和关断曲线，图中源漏电压VDS为600V，源漏电流1为5A，棚源电压VGS =20V，栅极外加电阻10n，并外加一个反并联SiC肖特基二极管。从图中可以看出，这种材料的开通和关断时间都小于50ns具有极快的开关速度，比SIGBT的速度要快得多。

　　（a）室温下SiCMOSFET的开通波形（b）室温下SiCMOSFET的关断波形从可以看出，SC器件的关断时间明显比Si器件要短，而且*大反向恢复电流比也小得多，因此SC器件的关断损耗也小得多。

　　S二极管与SC二极管的关断损耗（WlciSs）3结论根据对SiC电力电子器件现有研究的综合和分析，得到以下结论：Si全控器件目前的*高电压等级为6.6kV，仅能应用于3kV以下的电力电子装置中，并且存在价格昂贵、开关频率低、损耗大等不足；SC器件与S器件相比具有以下优势，即耐高压、耐高温、开关频率高、损耗小、动态性能优良等特点；在更高的电压等级（高于3kV）或对电力电子装置性能有更高要求的场合，现有器件无法满足要求，SC器件在这种情况下具有明显优势；随着SiC器件的商业化推广和应用，电力系统中涉及电力电子技术的领域，如FACTS、HVDC、新能源发电、微网等领域必然发生根本性的变革。