碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和需求

 1. 碳化硅在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

我國已經(jīng)建成世界上規(guī)模大、復(fù)雜的電網(wǎng)，同時(shí)可再生能源的裝機(jī)量也是世界大，由于長距離、大容量輸電等特點(diǎn)使得柔性直流、靈活交流輸電等先進(jìn)的輸電技術(shù)得到廣發(fā)的應(yīng)用。隨著可再生能源的進(jìn)一步開發(fā)，加劇了電網(wǎng)的復(fù)雜性和控制難度，亟需提高電網(wǎng)的安全性、靈活性和可控制。這就需要我們開發(fā)性能更加優(yōu)越的電力電子器件。

圖4 我國的電網(wǎng)

在未來柔性半導(dǎo)體電網(wǎng)中，電力電子裝備無處不在，發(fā)電側(cè)的光伏逆變器，輸電側(cè)的靈活交流、柔性直流，變電側(cè)的變電站，配電側(cè)的定制電力，對(duì)電力電子器件的應(yīng)用也就無處不在，在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、整個(gè)過程發(fā)揮著重要的作用。

2. 電力系統(tǒng)對(duì)SiC電力電子器件的需求

在電力裝備中電力電子器件是重要的部分之一，但是，目前電網(wǎng)輸送電壓500kV、800kV甚至達(dá)到1100kV，基本的電力電子器件，Si器件，已經(jīng)達(dá)到了由Si材料性能確定的極限，難以滿足智能電網(wǎng)的要求，更高電壓、更大容量、更高效率、更高結(jié)溫，亟需新型戰(zhàn)略性的材料器件體系。SiC材料的禁帶寬度是Si的3倍，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)8倍，熱導(dǎo)率是3倍，材料性能優(yōu)勢(shì)明顯。SiC器件的耐壓是Si器件的10倍，電流密度3倍，頻率是Si的10倍，是制備高電壓、大功率器件的新型戰(zhàn)略性材料。

圖5 碳化硅材料器件的優(yōu)勢(shì)

3. 高壓SiC器件的研究進(jìn)展

雖然在低壓領(lǐng)域SiC已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)。但是在高壓領(lǐng)域，不管是國內(nèi)還是國外都還處于研發(fā)階段。由于材料的優(yōu)勢(shì)，國外的研發(fā)進(jìn)度要一些，日本京都大學(xué)在3年前就研發(fā)了26.5kV的PiN二極管，美國的Cree公司在也在3年前就研發(fā)了20.7kV的IGBT。國內(nèi)在引進(jìn)先進(jìn)的厚膜外延設(shè)備后，厚膜外延材料制備技術(shù)得到進(jìn)步，近也在高壓器件方面做了一些成績，比如中電55所在2016年報(bào)道了17kV 的PiN二極管，在2018年報(bào)道了12kV 的IGBT，說明國內(nèi)材料在一步步進(jìn)度，器件的差距也和國外漸漸縮小。

圖6 國外高壓器件的研究進(jìn)展

4. 總結(jié)及展望

未來電網(wǎng)對(duì)效率、可靠性、穩(wěn)定運(yùn)行要求更高，需進(jìn)一步提升大電網(wǎng)運(yùn)營控制能力。遠(yuǎn)距離柔直輸電要求電力電子器件具有更高電壓、更大容量、更高結(jié)溫；新能源并網(wǎng)要求器件具有更高的轉(zhuǎn)換效率；智能變電站和新型電力電子裝置要求全控型電力電子器件。電力電子器件是電力電子裝置的核心元器件，是智能電網(wǎng)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。