日前，國家能源局局長章建華發(fā)布文章《奮力譜寫統(tǒng)籌電力發(fā)展和安全新篇章》，其中提到，“十四五”以至未來更長一段時(shí)期，我國將深入推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，推進(jìn)電力安全核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備科研攻關(guān)，加快芯片模塊、特高壓直流套管等國產(chǎn)化替代，有效解決“卡脖子”問題。
目前我國已建成世界上規(guī)模最大的電網(wǎng)，可再生能源裝機(jī)容量世界上最大，電網(wǎng)形態(tài)空前復(fù)雜。電網(wǎng)運(yùn)行面臨高比例間歇性、不確定性負(fù)荷增多、分布式電源接入、靈活可控、遠(yuǎn)距離輸送等難題，高度靈活性可控性的柔性交直流輸電技術(shù)已成為支撐高比例新能源電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)手段。
電力電子裝備是柔性交直流輸電技術(shù)的核心，其電壓高達(dá)到數(shù)百千伏以上；電流高達(dá)到數(shù)千安培；傳送功率約數(shù)十吉瓦，這就迫使內(nèi)部電力電子器件必須具備高電壓、大電流，更小體積和更高效率。
目前大功率電力電子裝備采用的大都是硅基器件，硅基器件耐壓低、電流密度低、頻率低，導(dǎo)致裝置體積大、重量大、功率密度較低，大大限制了電力電子裝備發(fā)展。SiC技術(shù)的出現(xiàn)，正好解決了這些棘手問題，用SiC器件替代已有裝置中的硅器件，能實(shí)現(xiàn)更高的效率、更小的體積以及更好的可靠性，還能帶來巨大的系統(tǒng)成本優(yōu)勢。除了替代作用以外，SiC技術(shù)同樣能用于開發(fā)此前硅基器件難以滿足要求的全新電力電子裝置，例如高頻電子電力變壓器。
以遠(yuǎn)海風(fēng)電為例，柔性直流是遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)的主要技術(shù)手段。基于硅器件的換流裝備體積和重量大，導(dǎo)致占工程總成本30%的海上換流平臺(tái)造價(jià)非常高，因此遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益一直較低；但如果采用萬伏千安級的SiC器件，換流器體積和重量至少可以縮減一半，從而大大降低平臺(tái)造價(jià)，促進(jìn)遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)利用。
現(xiàn)階段SiC SBD/MOSFET已在中低壓電力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用，SiC單極器件完成硅基雙極器件電壓范圍覆蓋。但在6.5 kV以上高壓領(lǐng)域，需要用到的SiC雙極器件例如IGBT，目前仍處于研究階段。
SiC在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用
直流斷路器
電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，促成了柔性輸電系統(tǒng)的誕生，能大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。直流斷路器作為柔性直流輸電的關(guān)鍵部分之一，其可靠性對整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。
由于直流斷路器整體電壓高，受限硅器件目前電壓等級，使用傳統(tǒng)硅基器件設(shè)計(jì)直流斷路器需要多級子單元串聯(lián)，在直流斷路器中使用高壓SiC器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，是電力行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。
固態(tài)變壓器
隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源的發(fā)展，固態(tài)變壓器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)受到廣泛關(guān)注。固態(tài)變壓器(SST)是一種集高頻變壓器、電力電子轉(zhuǎn)換器和控制電路為一體的新興技術(shù)。它的目標(biāo)是用“智能”解決方案取代傳統(tǒng)的線頻率分布變壓器。SST技術(shù)會(huì)影響許多領(lǐng)域的發(fā)展，比如：智能電網(wǎng)、牽引系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)(RESs)等等。
由于受電壓、功率等方面的限制，硅基器件在固態(tài)變壓器應(yīng)用中不得不采用串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓?fù)鋪磉_(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加，制約了固態(tài)變壓器在智能電網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。而SiC突破了硅基功率器件電壓和溫度限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性，將有利于固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)簡化及可靠性提升。
靜止同步補(bǔ)償器
靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)是一種并聯(lián)型無功補(bǔ)償?shù)娜嵝暂旊娧b置，它能夠發(fā)出或吸收無功功率，并且其輸出可以變化以控制電力系統(tǒng)中的特定參數(shù)。
目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作為開關(guān)。如IGCT其耐壓可達(dá)6.5kV，通斷電流可達(dá)4000A。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級仍然偏小，需要依靠多電平拓?fù)浠蚱骷?lián)，來提高耐壓能力。未來隨著高壓SiC技術(shù)研發(fā)成功，STATCOM的結(jié)構(gòu)或?qū)⒋蟠蠛喕?/div>
能源革命促進(jìn)了功率半導(dǎo)體在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，從根本上改變了電網(wǎng)形態(tài)。而碳中主題下的終端設(shè)備節(jié)能提效策略，進(jìn)一步刺激了功率半導(dǎo)體的升級換代。SiC器件因其耐高溫、高壓、高頻的特點(diǎn)，已在中低壓電網(wǎng)場景得到了廣泛應(yīng)用。而在高壓電力場景，SiC仍面臨著諸多困難，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同努力。
SiC在高壓領(lǐng)域面臨著諸多挑戰(zhàn)
01.需要更低缺陷密度的襯底、外延材料。
大功率器件電壓高，電流大，芯片面積非常大，所以對材料要求更高。若芯片面積內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)缺陷，整個(gè)芯片便失效，沒有成品率而言。因此，高壓器件要求襯底的缺陷密度越低越好。同時(shí)，在外延部分要進(jìn)行外延缺陷的嚴(yán)格控制。另外，目前市場上缺乏P+襯底，也限制了高壓大功率n溝道IGBT器件的產(chǎn)業(yè)化。
02.需要新型封裝材料和更低寄生參數(shù)及高可靠性的封裝技術(shù)。
SiC的終端場強(qiáng)約為Si的3倍，芯片終端尺寸有非常大的差異，傳統(tǒng)的灌封材料硅凝膠等材料無法滿足SiC封裝要求，需要有開發(fā)新的高絕緣灌封材料。另一方面，SiC頻率要求較高，封裝寄生參數(shù)（電感、電容、電阻）應(yīng)盡可能低并保持一致；且SiC模塊尺寸小，芯片熱應(yīng)力集中，需要更為先進(jìn)的散熱工藝。
03.超高壓器件形式仍不明確。
對于10kV以上超高壓領(lǐng)域，目前業(yè)界一種方案是采用IGBT、GTO等具有明顯理論優(yōu)勢的雙極器件，但因其多層材料外延生長難度大，載流子壽命過低，難以充分發(fā)揮雙極效應(yīng)。另一種方案則是采用超結(jié)或者半超結(jié)的MOSFET進(jìn)行相應(yīng)導(dǎo)通電阻優(yōu)化。從現(xiàn)階段來看，具體采用何種方案仍需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。
結(jié)語
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