摘要：碳化硅作为一种宽禁带材料，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点，可以实现高压、大功率、高频、高温应用的新型功率半导体器件。该文对碳化硅功率半导体器件的最新发展进行回顾，包括碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT和晶闸管，对其在电力系统的应用现状与前景进行展望。高压大容量碳化硅功率半导体器件的迅速发展，将对电力系统的发展带来深远的影响。
关键词：碳化硅；电力电子器件；电力系统
引言
一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。
自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5kV的GTO得到广泛应用，并成为在接下来的十年内大功率变流器的首选器件，一直到IGBT的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了IGCT的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在(1~3)kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到7×10⁷W/ 9000V的水平，全控器件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的水平基本稳定在10⁹~ 10¹⁰W⋅Hz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的材料极限，如图1所示。
近年来现代硅基功率半导体器件的迅速发展和成熟，促使各种新型大功率电力电子装置成功地应用于各种工业电源、电机驱动、电力牵引、电能质量控制、可再生能源发电、分布式发电、国防和前沿科学技术等领域。
众所周知，20世纪80年代末，电力系统已发展成为超高压远距离输电、跨区域联网的大系统，90年代末开始，以风电为代表的可再生能源的接入极大推动了电力系统的技术进步。社会经济和电力系统的迅速发展，人们对现代电力系统安全、稳定、高效、灵活运行控制要求的日益提高，促使现代电网的管理和运营模式正在发生深刻的变革。近十几年来，大功率半导体器件和变流技术的飞速发展，使现代高性能电力电子装置在电力系统应用中展示了强大的生命力。较之传统的电力系统控制设备而言，现代高性能电力电子装置具有一系列特点：具有变流、变频和调相能力；快速的响应性能(数ms)；利用极小的功率控制极大功率；可实现高精度控制(对于50~60Hz系统，器件触发相位可精确到0.1°)；变流器体积小、重量轻等。因此，近年来电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用，但是，与其它应用领域相比，电力系统要求电力电子装置具有更高的电压，更大的功率容量和更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制，上述这些硅基大功率器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用。
近年来，作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率半导体器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在600~1700V。随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出了19.5kV的碳化硅二极管，3.1kV和4.5kV的门极可关断晶闸管(GTO)，10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等。它们的研发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。
1碳化硅电力电子器件进展简介
1.1碳化硅材料特性
对于单极型的功率器件，式(1)表示其材料物理局限性的机理：
式中：Rdrift_SP为器件的导通电阻；UB为器件的击穿电压；ε0εr为介电常数；μ为载流子迁移率；Ec为材料的临界击穿电场。由式(1)可知，实现低的导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，即选择宽禁带的半导体材料。碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，4H-SiC的禁带宽度为3.26eV，远大于硅的1.1eV，因此碳化硅具有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，使得碳化硅器件能够在高电压、高温下工作。同时，碳化硅具有较高的热导率。
基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间的研究，目前已经具有较高的成熟度和可靠性。2010年业界发布了6寸的碳化硅晶圆成功问世的信息，毫无疑问这将使大大降低碳化硅器件的制造成本成为可能，并为碳化硅功率器件的发展提供坚实的基础。
1.2碳化硅功率二极管
碳化硅功率二极管有3种类型：肖特基二极管(Schottkybarrierdiode，SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(junctionbarrierSchottky，JBS)。在5kV阻断电压以下的范围，碳化硅结势垒肖特基二极管是较好的选择。JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管(mergedPiNSchottky，MPS)。由于碳化硅二极管基本工作在单极型状态下，反向恢复电荷量基本为零，可以大幅度地减少二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗以及相关的IGBT开通瞬态损耗，非常适用于开关频率较高的电路。
PiN结二极管在4~5kV或者以上的电压时具有优势，由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻，使得它比较适用于高电压应用场合。有文献报道阻断电压为14.9和19.5kV的超高压PiN二极管，其正向和反向导通特性如图2所示，在电流密度为100A/cm²时，其正向压降分别仅为4.4和6.5V。这种高压的PiN二极管在电力系统，特别是高压直流输电领域具有潜在的应用价值。
1.3碳化硅MOSFET器件
功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，在硅基器件中，功率MOSFET获得巨大成功。同样，碳化硅MOSFE也是最受瞩目的碳化硅功率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路非常简单及与现有的功率器件(硅功率MOSFET和IGBT)驱动电路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。
随着碳化硅MOSFET技术的进步，高性能的碳化硅MOSFET也被研发出来，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司报道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的导通比电阻为5mΩ⋅cm²，比硅基的CoolMOS的性能指数好15~20倍。美国Cree公司报道了8.1mm×8.1mm、阻断电压10kV、电流20A的碳化硅MOSFET芯片，其正向阻断特性如图3所示。通过并联这样的芯片得到的模块可以具备100A的电流传输能力。该器件在20V的栅压下的通态比电阻为127mΩ⋅cm²，同时具有较好的高温特性，在200℃条件下，零栅压时可以实现阻断10kV电压。
在碳化硅MOSFET的可靠性研究方面，有研究报道了在350℃下碳化硅栅氧层具有良好的可靠性。如图4所示，20年以来碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性得到明显提高。这些研究结果表明，栅氧层将有望不再是碳化硅MOSFET的一个瓶颈。
1.4碳化硅IGBT
由于式(1)中的理论限制，在碳化硅MOSFET器件中，其通态电阻随着阻断电压的上升而迅速增加。在高压领域，碳化硅IGBT器件将具有明显的优势。由于受到工艺技术的制约，碳化硅IGBT的起步较晚，高压碳化硅IGBT面临两个挑战：第一个挑战与碳化硅MOSFET器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。因此，1999年制成的第一个IGBT采用了P型衬底。经过多年的研发，逐步克服了P型衬底的电阻问题，2008年报道了13kV的N沟道碳化硅IGBT器件，比导通电阻达到22mΩ⋅cm²。图5对15kV的N-IGBT和MOSFET的正向导通能力做了一个比较，结果显示，在结温为300K时，在芯片功耗密度为200W/cm²以下的条件下，MOSFET可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT可以获得更大的电流密度。但是在结温为127℃时，IGBT在功耗密度为50W/cm²以上的条件下就能够导通比MOSFET更高的电流密度。同一年，该团队还报道了阻断电压达到12kV的P沟道碳化硅IGBT，导通比电阻达到14mΩ⋅cm²。
新型高温高压碳化硅IGBT器件将对大功率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。在15kV以上的应用领域，碳化硅IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压电力系统应用领域。
1.5碳化硅晶闸管
在大功率的工频开关应用中，比如高压直流输电(highvoltageDC，HVDC)、动态无功功率补偿、超大电流电解等，晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅晶闸管的研究主要集中在GTO上。碳化硅门级换流晶闸管(SiC commutatedgateturn-offthyristors，SiCGT)的研发也受到特别的关注。2006年有研究报道了面积为8mm×8mm的SiCGT芯片，其导通峰值电流高达200A。2010年报道了单芯片脉冲电流达到2000A的SiCGT器件，如图6所示。
2碳化硅电力电子期间在电力系统中的应用展望
电力电子技术的应用涉及电力系统的各个方面，包括固态变压器、柔性交流输电、静止无功补偿、高压直流输电、柔性直流输电以及配电系统等应用。
2.1固态变压器
随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展，固态变压器作为其中的关键技术受到广泛关注。固态变压器技术被MITTechnology Review选为2011年的TopTenEmerging Technology。
固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。
将固态变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的特点，有助于解决电力系统中所面临的许多问题。固态变压器的输入侧电压等级非常高，一般在数千至数万伏，目前多采用拓扑或器件串联的方式，结构较为复杂。图7所示为10kVA的固态变压器示意图。
目前在世界上对固态变压器的研究主要包括：欧盟的UNIFLEX-PM(未来电网通用灵活电能管理先进功率变流器)项目，每相采用4个H桥串联来承受1.9kV电压；美国FREEDM(未来可再生能源利用和分配管理中心)的第一代固态变压器采用6.5kV的HV-IGBT，每相3个H桥串联来承受7.2kV电压；第二代固态变压器将基于15kV的碳化硅MOSFET，不再使用器件或拓扑串联，开关频率有望从原来的1kHz提升到20kHz。新兴的碳化硅电力电子器件，特别是15kV以上碳化硅MOSFET、IGBT的出现，将有利于固态变压器的结构简化及可靠性提升。
2.2柔性交流输电系统
电力电子技术应用的发展，促成了近年来交流电网中的一个前沿领域——柔性交流输电系统(flexibleACtransmissionsystem，FACTS)的诞生。FACTS是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对交流输电系统电压、相位角、品质、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
FACTS技术中的核心是各种以电力电子技术或者其他静止设备为基础的FACTS控制器，对AC输电系统的一个或者多个参数进行有效控制，使得原先基本不可控的输电网变得可以全面控制，以达到电力系统安全、可靠和经济运行。FACTS技术及其控制器是随着电力电子技术及其功率器件的发展而发展的。由于输电网高压、大功率的特性，FACTS技术主要采用晶闸管、GTO、IGBT等器件，随着IGCT器件的发展，可以用IGCT器件代替GTO器件实现新型的电压源变流器，不仅实现更高的耐压，而且可以切换4~5kA的电流。由于硅器件自身物理限制，在更高电压等级或者功率等级的FACTS控制器的应用，仍然受到制约。碳化硅功率器件固有的高耐压特性，随着其器件水平的不断发展，在FACTS技术中必然越来越受到重视。
2.3静止无功补偿器
静态同步补偿器(staticsynchronous compensator，STATCOM)是一种重要的FACTS控制器，用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性，具有体积小、响应速度快以及连续可调等优点。
基于二电平电压源逆变器(voltagesource converter，VSC)的STATCOM尽管结构简单，但需要高压大功率的电力电子器件，目前的硅器件尚不能满足这种高压大容量输电系统要求。因此，通常需要将多个逆变器通过变压器(多重化技术)或者多电平技术进行组合，以实现系统要求。
目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作为开关。如IGCT其耐压可达6.5kV，通断电流可达4000A。但在输电系统中，其电压电流等级仍然偏小，需要依靠多电平拓扑或器件串联，来提高耐压能力。
第一个STATCOM于1986年由美国西屋公司和EPRI共同开发，容量电压等级为±1Mvar/13.2kV，基于GTO器件，采用二重化变压器耦合。目前最大的STATCOM于1997年由美国西屋公司和EPRI共同开发，容量为±320Mvar，采用三电平八重化技术，电压等级为138kV，采用的GTO器件为4.5kV/4kA。我国在1999年基于4.5kV/4kA的GTO器件，自主研发了±20MvarSTATCOM，采用两电平四重化变压器耦合结构。2006年，又自主研发了基于IGCT器件的±50Mvar的STATCOM。
图8所示是由直流电压源、基于GTO的逆变器和连接变压器组成的STATCOM示意图。
随着未来高压碳化硅IGBT、GTO等的研发成功，STATCOM的结构可以大大简化，同时，由于开关频率的提高，电能质量也将得到提升。在风电和太阳能等可再生能源一体化方面，无变压器STATCOM将成为现实和得到有效应用。
2.4直流输电技术
随着电力电子技术的发展，特别是晶闸管的出现，使得采用晶闸管的高压直流输电技术得以迅速发展，其电压等级已从±500kV提高到±800kV。
2010年我国成功投运了世界首个±800kV/4750A特高压直流输电工程，图9所示为特高压直流换流阀，其核心是6英寸的高压晶闸管。目前我国正在开展±1100kV的特高压直流输电技术的研发。
由于换流阀工作时承受高达几百kV的电压，以及高达几千A的电流，所以传统的硅基晶闸管换流阀需要面对众多元件串联和导通损耗大的问题。随着碳化硅电力电子器件技术的发展，更大容量、更高工作温度和更高功率密度的新型碳化硅SiCGT、GTO的开发，使得单个器件的耐压性能得到提高，不仅显著降低所需的电力电子器件的数量，简化换流阀的结构，同时显著降低损耗，为高压直流输电技术的发展创造更好的条件。
轻型直流输电技术是在高压直流输电的基础上发展起来的一项新技术，其特点是直流输电两端变流器采用可关断器件构成电压源逆变器，不存在换相失败、受端系统必须提供无功容量的问题，而且可以省去换流变压器，简化换流站结构。受制于可关断硅器件水平的制约，其输电容量通常较小。图10是轻型直流输电中由IGBT构成的电压源型换流器，利用脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)技术进行无源逆变，不但可以向无交流电源的负荷点送电，在特殊情况下也可以提供无功功率。基于VSC的轻型直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域具有独特的优势。
随着碳化硅MOSFET/IGBT等器件性能、电压等级和功率等级的提高，碳化硅电力电子器件在轻型直流输电系统中的应用，有望进一步提高其输电容量及适用电压等级，为轻型直流输电的应用拓展带来新的机遇。
3总结
电力电子技术是电力与电子技术的融合，电力电子技术的应用已涉及到电力系统的各个方面，并在国民经济中发挥着巨大作用，将对未来电力系统产生巨大影响。同时，电力系统的发展和进步将对高压、大容量、高频、高温的功率半导体器件的需求持续增长。碳化硅功率器件的卓越性能和它们的巨大潜力使研究界和工业界对之有着持续的热情，这些年在研发和产业化方面也取得了重大的突破。在当前节能减排的重大国际发展趋势下，对于碳化硅功率器件而言，其优势明显。可以预见，新型高压大容量碳化硅功率器件将在高压电力系统中开辟出全新的应用，对电力系统的发展和变革产生持续的重大影响。
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