碳化硅在電力電子器件中的應用

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合，主要優點有：熱穩定性好、熱導率高、擊穿電場強度高、飽和載流子漂移速度快等，因而在電力電子技術中應用前景廣闊。當前，碳化硅（SiC）已經廣泛應用在靜止無功補償器和高壓直流輸電等電力電子裝置。

關鍵詞：碳化硅；電力電子；靜止無功補償器；高壓直流輸電

1 前言

自從20世紀50年代硅晶閘管問世以后，半導體器件在結構設計、工藝流程以及材料品質等方面取得了世人矚目的成就。與此同時，技術的進步也使得傳統晶體硅器件在許多方面已逼近甚至達到了其材料的本證極限，如電壓阻斷能力、正向導通壓降、器件開關速度等。

碳化硅（SiC）所具有的一個先天優勢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-半導體（MOS）結構以及相關技術。用碳化硅材料制造的電力電子器件，其優勢在于具有最高工作溫度大于500℃，且耐高壓（數萬伏）；當額定阻斷電壓相同時，與硅器件相比，碳化硅功率開關器件通態電阻很低，同時其工作頻率也要高10倍以上。

2 碳化硅的性質

碳化硅又稱碳硅石，在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火材料中，碳化硅是應用最為廣泛、最為經濟的一種。根據其用途，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定的固態化合物，屬于IV（A）-IV（A）族共價化合物。由sp3鍵結合在一起的C-Si呈四面體排列，其具有類似于金剛石的六面體結構；碳化硅的晶體結構決定其具有眾多優異性能，如碳化硅的耐腐蝕、高機械強度、化學穩定等性能。碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于硬質材料。碳化硅的晶體結構亦表明其具有多種同質多型體，迄今為止，碳化硅的同質多型體已達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體，而β-SiC是其中唯一的立方結構晶體；α-SiC則是其他六方晶系纖鋅礦型結構和菱形結構碳化硅的統稱。碳化硅的構成遵循嚴格的化學計量，對于β-SiC來說，硅與碳的比重（Si∶C）為1.049，而對于α-SiC，硅與碳的比重（Si∶C）則為1.032。此外，α-SiC沿主對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，碳化硅不同多型體間的熱穩定性也不盡相同：α-SiC是高溫穩定型，而β-SiC則是低溫穩定型。Si、3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的性能參數比較如表1所示。

3 SiC器件在電力電子中的應用

電能有著安全經濟、使用方便，并且易轉化為其他形式能量的優點，是當代社會中一種優質的能源，在現代社會和經濟發展中，電能發揮著舉足輕重的作用。隨著經濟發展和工業技術的發展，在電力、工業生產、軌道交通等領域，種類豐富的用電設備得到了廣泛應用。

在我國當前能源十分緊張的情況下，電能無法滿足所有用電設備的需要，因而電力電子技術這門學科應運而生，此學科旨在研究對電能進行變換，自其產生至今已有半個多世紀，因其對國民經濟具有顯著作用，引起國內外學者的極大關注，發展極其迅速，應用范圍日趨廣泛，幾乎涉及供配電的所有領域。

電力電子器件的功率變換能力和開關頻率之間是矛盾的，往往功率越大，開關頻率越低，高性能的控制實現起來就越發困難。隨著電力半導體技術的發展和制造工藝的完善，開關器件的性能也有了大幅提高，這促使在高電壓領域中SiC得以大量應用。

在電力行業，隨著經濟的不斷發展，對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，高壓直流輸電系統已經成為當前電力工業領域的熱門話題。SiC已經廣泛應用在靜止無功補償器和高壓直流輸電等電力電子裝置。

3.1 靜止無功補償

靜止無功發生器（簡稱為SVG）又稱靜止同步補償器，是一種通過自換相的電力半導體橋式變流器進行動態無功補償的裝置，或高壓動態無功補償發生裝置。與傳統的調相機、電容器電抗器、傳統SVC（以晶閘管相控變壓器TCR為代表）等方式相比，SVG有著無可比擬的優勢，在當前無功功率控制領域內，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償器（STATCOM）的開關。以IGCT為例，盡管其耐壓可達6.5kV，通斷電流可達4000A，但在輸電系統中，IGCT的電壓電流等級仍然偏低，為提高耐壓能力，我們可采用多電平變換器拓撲或器件串聯的方式。

3.2 高壓直流輸電

隨著電力電子技術的發展，特別是晶閘管的出現，這促使高壓直流輸電技術得以迅速發展，采用晶閘管后，高壓直流輸電的電壓等級從500 kV提高到800 kV。2010年，世界首個800 kV/4750A特高壓直流輸電工程在我國成功投產、運營。目前，我國正抓緊研發1100 kV的特高壓直流輸電技術。換流閥工作時要承受極高的電壓電流：高達幾百kV的電壓和高達幾千安的電流，因而導致傳統的晶閘管換流閥面臨眾多元件串聯和導通損耗大的難題。得益于碳化硅電力電子器件技術的發展，新型碳化硅SiCGT、GTO得以成功研發，其具有容量更大、工作溫度更高和功率密度更高的顯著優點。新型碳化硅器件的應用，提高了單個器件的耐壓性能，不僅簡化了換流閥的結構，也顯著降低了對電力電子器件的數量需求，同時降低了損耗，有利于高壓直流輸電技術的發展和普及。

4 結論

當前，學術界和工業界對碳化硅半導體器件的優越性能及其巨大潛力有著足夠重視和興趣，碳化硅器件的研發和產業化方面因此得到蓬勃發展，并取得了重大突破。碳化硅半導體器件的出現，恰逢順應當前國內外節能減排的發展趨勢，因而有著顯著的發展優勢。可以預見，耐高壓、大容量的碳化硅功率器件將在高壓電力變換領域中獲得廣泛應用和普及。當然，與硅器件相比，碳化硅材質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，其具有顯著的節能減排優勢。我們通過測試已上市的碳化硅肖特基勢壘二極管和其他碳化硅功率器件（仍在實驗室研究階段），均證實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的發展有利于社會節能減排，促進和諧社會。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勢。

參考文獻

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（作者單位：西北民族大學）