碳化硅电力电子器件在电力系统中的应用和需求

 1. 碳化硅在电力系统中的应用分析

我国已经建成世界上规模大、复杂的电网，同时可再生能源的装机量也是世界大，由于长距离、大容量输电等特点使得柔性直流、灵活交流输电等先进的输电技术得到广发的应用。随着可再生能源的进一步开发，加剧了电网的复杂性和控制难度，亟需提高电网的安全性、灵活性和可控制。这就需要我们开发性能更加优越的电力电子器件。

图4 我国的电网

在未来柔性半导体电网中，电力电子装备无处不在，发电侧的光伏逆变器，输电侧的灵活交流、柔性直流，变电侧的变电站，配电侧的定制电力，对电力电子器件的应用也就无处不在，在发电、输电、变电、配电、用电、整个过程发挥着重要的作用。

2. 电力系统对SiC电力电子器件的需求

在电力装备中电力电子器件是重要的部分之一，但是，目前电网输送电压500kV、800kV甚至达到1100kV，基本的电力电子器件，Si器件，已经达到了由Si材料性能确定的极限，难以满足智能电网的要求，更高电压、更大容量、更高效率、更高结温，亟需新型战略性的材料器件体系。SiC材料的禁带宽度是Si的3倍，临界击穿场强8倍，热导率是3倍，材料性能优势明显。SiC器件的耐压是Si器件的10倍，电流密度3倍，频率是Si的10倍，是制备高电压、大功率器件的新型战略性材料。

图5 碳化硅材料器件的优势

3. 高压SiC器件的研究进展

虽然在低压领域SiC已经进入产业。但是在高压领域，不管是国内还是国外都还处于研发阶段。由于材料的优势，国外的研发进度要一些，日本京都大学在3年前就研发了26.5kV的PiN二极管，美国的Cree公司在也在3年前就研发了20.7kV的IGBT。国内在引进先进的厚膜外延设备后，厚膜外延材料制备技术得到进步，近也在高压器件方面做了一些成绩，比如中电55所在2016年报道了17kV 的PiN二极管，在2018年报道了12kV 的IGBT，说明国内材料在一步步进度，器件的差距也和国外渐渐缩小。

图6 国外高压器件的研究进展

4. 总结及展望

未来电网对效率、可靠性、稳定运行要求更高，需进一步提升大电网运营控制能力。远距离柔直输电要求电力电子器件具有更高电压、更大容量、更高结温；新能源并网要求器件具有更高的转换效率；智能变电站和新型电力电子装置要求全控型电力电子器件。电力电子器件是电力电子装置的核心元器件，是智能电网，全球能源互联网发展的重要支撑。