碳化硅在電力電子器件中的應(yīng)用

馮華林

摘 要：碳化硅材料可用于各種耐高溫的高壓大功率場(chǎng)合，主要優(yōu)點(diǎn)有：熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和載流子漂移速度快等，因而在電力電子技術(shù)中應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前，碳化硅（SiC）已經(jīng)廣泛應(yīng)用在靜止無功補(bǔ)償器和高壓直流輸電等電力電子裝置。

關(guān)鍵詞：碳化硅；電力電子；靜止無功補(bǔ)償器；高壓直流輸電

1 前言

自從20世紀(jì)50年代硅晶閘管問世以后，半導(dǎo)體器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝流程以及材料品質(zhì)等方面取得了世人矚目的成就。與此同時(shí)，技術(shù)的進(jìn)步也使得傳統(tǒng)晶體硅器件在許多方面已逼近甚至達(dá)到了其材料的本證極限，如電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、器件開關(guān)速度等。

碳化硅（SiC）所具有的一個(gè)先天優(yōu)勢(shì)是可以形成自然的氧化層（SiO2），這使得碳化硅器件可輕易地繼承在硅器件中已廣泛使用的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)以及相關(guān)技術(shù)。用碳化硅材料制造的電力電子器件，其優(yōu)勢(shì)在于具有最高工作溫度大于500℃，且耐高壓（數(shù)萬伏）；當(dāng)額定阻斷電壓相同時(shí)，與硅器件相比，碳化硅功率開關(guān)器件通態(tài)電阻很低，同時(shí)其工作頻率也要高10倍以上。

2 碳化硅的性質(zhì)

碳化硅又稱碳硅石，在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火材料中，碳化硅是應(yīng)用最為廣泛、最為經(jīng)濟(jì)的一種。根據(jù)其用途，碳化硅又被稱為耐火石或金剛石。碳化硅是由碳和硅原子組成的唯一穩(wěn)定的固態(tài)化合物，屬于IV（A）-IV（A）族共價(jià)化合物。由sp3鍵結(jié)合在一起的C-Si呈四面體排列，其具有類似于金剛石的六面體結(jié)構(gòu)；碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)決定其具有眾多優(yōu)異性能，如碳化硅的耐腐蝕、高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定等性能。碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于硬質(zhì)材料。碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)亦表明其具有多種同質(zhì)多型體，迄今為止，碳化硅的同質(zhì)多型體已達(dá)250種以上。

碳化硅具有多種晶型，但主要分為如下兩大類：α-SiC和β-SiC。其中β-SiC被稱為立方碳化硅，3C-SiC碳化硅具有眾多同分異構(gòu)體，而β-SiC是其中唯一的立方結(jié)構(gòu)晶體；α-SiC則是其他六方晶系纖鋅礦型結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)碳化硅的統(tǒng)稱。碳化硅的構(gòu)成遵循嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)量，對(duì)于β-SiC來說，硅與碳的比重（Si∶C）為1.049，而對(duì)于α-SiC，硅與碳的比重（Si∶C）則為1.032。此外，α-SiC沿主對(duì)稱軸的位移僅為硅原子相鄰兩層間距的四分之一，硅原子與碳原子的最小間距為0.189nm。β-SiC易成核且需要的生長溫度較低，這是由于其鍵能小、晶格自由能大。同時(shí)，碳化硅不同多型體間的熱穩(wěn)定性也不盡相同：α-SiC是高溫穩(wěn)定型，而β-SiC則是低溫穩(wěn)定型。Si、3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的性能參數(shù)比較如表1所示。

3 SiC器件在電力電子中的應(yīng)用

電能有著安全經(jīng)濟(jì)、使用方便，并且易轉(zhuǎn)化為其他形式能量的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代社會(huì)中一種優(yōu)質(zhì)的能源，在現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，電能發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在電力、工業(yè)生產(chǎn)、軌道交通等領(lǐng)域，種類豐富的用電設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。

在我國當(dāng)前能源十分緊張的情況下，電能無法滿足所有用電設(shè)備的需要，因而電力電子技術(shù)這門學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，此學(xué)科旨在研究對(duì)電能進(jìn)行變換，自其產(chǎn)生至今已有半個(gè)多世紀(jì)，因其對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有顯著作用，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，發(fā)展極其迅速，應(yīng)用范圍日趨廣泛，幾乎涉及供配電的所有領(lǐng)域。

電力電子器件的功率變換能力和開關(guān)頻率之間是矛盾的，往往功率越大，開關(guān)頻率越低，高性能的控制實(shí)現(xiàn)起來就越發(fā)困難。隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的完善，開關(guān)器件的性能也有了大幅提高，這促使在高電壓領(lǐng)域中SiC得以大量應(yīng)用。

在電力行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電能的需求與日俱增，特別是“三峽工程”和“西電東送工程”柔性交流傳輸系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力工業(yè)領(lǐng)域的熱門話題。SiC已經(jīng)廣泛應(yīng)用在靜止無功補(bǔ)償器和高壓直流輸電等電力電子裝置。

3.1 靜止無功補(bǔ)償

靜止無功發(fā)生器（簡稱為SVG）又稱靜止同步補(bǔ)償器，是一種通過自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，或高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償發(fā)生裝置。與傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)、電容器電抗器、傳統(tǒng)SVC（以晶閘管相控變壓器TCR為代表）等方式相比，SVG有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前無功功率控制領(lǐng)域內(nèi)，SVG亦是最佳方案。

目前，GTO、IGBT及IGCT等全控型器件已廣泛作為靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的開關(guān)。以IGCT為例，盡管其耐壓可達(dá)6.5kV，通斷電流可達(dá)4000A，但在輸電系統(tǒng)中，IGCT的電壓電流等級(jí)仍然偏低，為提高耐壓能力，我們可采用多電平變換器拓?fù)浠蚱骷?lián)的方式。

3.2 高壓直流輸電

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是晶閘管的出現(xiàn)，這促使高壓直流輸電技術(shù)得以迅速發(fā)展，采用晶閘管后，高壓直流輸電的電壓等級(jí)從500 kV提高到800 kV。2010年，世界首個(gè)800 kV/4750A特高壓直流輸電工程在我國成功投產(chǎn)、運(yùn)營。目前，我國正抓緊研發(fā)1100 kV的特高壓直流輸電技術(shù)。換流閥工作時(shí)要承受極高的電壓電流：高達(dá)幾百kV的電壓和高達(dá)幾千安的電流，因而導(dǎo)致傳統(tǒng)的晶閘管換流閥面臨眾多元件串聯(lián)和導(dǎo)通損耗大的難題。得益于碳化硅電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，新型碳化硅SiCGT、GTO得以成功研發(fā)，其具有容量更大、工作溫度更高和功率密度更高的顯著優(yōu)點(diǎn)。新型碳化硅器件的應(yīng)用，提高了單個(gè)器件的耐壓性能，不僅簡化了換流閥的結(jié)構(gòu)，也顯著降低了對(duì)電力電子器件的數(shù)量需求，同時(shí)降低了損耗，有利于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展和普及。

4 結(jié)論

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)碳化硅半導(dǎo)體器件的優(yōu)越性能及其巨大潛力有著足夠重視和興趣，碳化硅器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面因此得到蓬勃發(fā)展，并取得了重大突破。碳化硅半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，恰逢順應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)外節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)，因而有著顯著的發(fā)展優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見，耐高壓、大容量的碳化硅功率器件將在高壓電力變換領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用和普及。當(dāng)然，與硅器件相比，碳化硅材質(zhì)的電力電子器件不僅提高了器件的耐壓能力，還能大幅降低功率消耗，其具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。我們通過測(cè)試已上市的碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管和其他碳化硅功率器件（仍在實(shí)驗(yàn)室研究階段），均證實(shí)碳化硅功率器件能大幅降低功率消耗。碳化硅作為電力電子器件的一種新制造材料，也充分證明電力電子技術(shù)的發(fā)展有利于社會(huì)節(jié)能減排，促進(jìn)和諧社會(huì)。此外，與硅器件相比，碳化硅器件能夠兼顧器件的功率、頻率以及耐高溫性能，這也是碳化硅與硅競爭的另一顯著優(yōu)勢(shì)。

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（作者單位：西北民族大學(xué)）