新型電力電子器件在智能電網中的應用與優化設計

中圖分類號：TN386 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0020-04

Abstract：Newpowerelectronicdevicesplayavitalroleinsmartgridsandcansignificantlyimprovethestability，reliability andefciencyofthepowergrid.Withthedevelopmentofsmartgrids，coreequipmentbasedonpowerelectronicstechnology suchas IGBTs，MOSFETs，andSiC devicesare widelyused inscenariossuchastransmisionanddistribution，distributedenergy access，energystoragesystems，andelectricvehiclechargingnetworks.eseevicescanachieveeficientconversionandprecise controlof power，meetingthegridsrequirementsforhighpowerdensity，lowloss，andfastresponse.Intermsofoptiization design，devicetheralmanagementoptiizationmoduleintegrationesignelectromagneticinterferencesuppresionandothr meansimprovetheoverallperformanceof thepowersystem，andtheupgradeof powersemiconductorsandtheapplicationof new materialscan makethepower gridoperation moreeffcientand intellgent，furtherpromoting the developmentof smartgrids.

Keywords：new power electronic device;smart grid;IGBT; MOSFET;SiC device

隨著全球能源結構的調整和電力需求的持續增長，智能電網作為新一代電力系統的核心形態，正在逐步取代傳統電網。智能電網要求實現對能源的高效傳輸與分配，還需要具備對多種可再生能源的接入能力。全球能源消耗總量在過去十年中穩步上升，電網負荷的波動性增加給傳統電力設備帶來了巨大挑戰。傳統的電力電子器件如二極管、晶閘管等在高頻、大功率及快速響應方面的局限性，使得它們難以應對智能電網對電能管理、動態調節和高效轉換的更高要求。新型電力電子器件如IGBT、MOSFET和SiC器件憑借其在開關速度、損耗控制、熱管理及系統集成度上的顯著優勢，成為智能電網發展的關鍵支撐。智能電網的發展需求推動了新型電力電子器件的不斷創新，電力電子器件的技術突破也為智能電網的建設提供了可靠的基礎。

1新型電力電子器件在輸配電中的應用

1.1IGBT與MOSFET在高效電力轉換中的作用

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）作為現代電力電子器件的核心，已被廣泛應用于高效電力轉換系統中。IGBT集成了MOSFET的高速開關特性和BJT（雙極[結]晶體管）的低飽和壓降特性，適合用于大功率、高電壓環境。其電流控制特性使其在逆變器、整流器和電動機驅動系統中得到了廣泛應用。IGBT的主要優勢在于其高開關頻率和低導通損耗，其工作原理是通過控制柵極電壓來調節導通和關斷狀態，進而實現電能的高效轉換。在電動汽車的驅動系統中，逆變器通常使用IGBT來將直流電轉化為三相交流電，以驅動電動機。

典型實例是特斯拉ModelS電動汽車，其主逆變器采用了多個并聯的IGBT模塊，實現了高達 8 5 % 的電能轉換效率。

IGBT的電流-電壓特性方程為

式中： 為集電極電流； 為柵極電壓； 為閥值電壓； K 為常數。調節 可以有效控制IGBT的導通和關斷狀態?，F代輸電系統中的IGBT逆變器能夠將高壓直流（HVDC）電轉換為交流電，并以同步調相器進行調節，以提高電網的電能質量。中國國家電網的南方電網工程中，IGBT被用于 7 5 0 k V 直流輸電線路的逆變環節，顯著降低了輸電損耗并提升了系統穩定性。MOSFET則更適用于中低電壓、高頻應用環境。MOSFET的工作原理基于電場效應，柵極電壓控制漏源間電流的流動。高效開關電源、直流-直流變換器等領域，MOSFET憑借其高速開關能力和低導通電阻成為理想選擇。

1.2SiC器件在高壓輸電系統中的應用

SiC（碳化硅）器件因其優越的材料特性，近年來逐漸成為高壓、大功率輸電系統中的關鍵組成部分。SiC材料具有更高的擊穿電壓、更低的導通電阻及更好的熱導率，這使得其在高壓輸電和工業控制領域得到越來越廣泛的應用。與傳統的硅基器件相比，SiC器件可以在更高的電壓和溫度下穩定工作，其開關損耗比IGBT和MOSFET顯著降低，從而提高了系統的效率并減少了散熱需求。

高壓直流（HVDC）電系統中，SiC的高擊穿電壓特性使其能夠承受更高的電場強度，適合用于高壓、高頻開關的場合。在中國的特高壓輸電系統中，采用SiC功率模塊的換流器在超過 1 0 0 0 k V 的電壓下運行，有效降低了轉換過程中的能量損耗，并提高了輸電線路的穩定性。

2新型電力電子器件在分布式能源接入中的應用

2.1分布式能源并網的電壓穩定與電流控制

IGBT器件在分布式能源并網中用于逆變器的電壓調節環節，其響應速度快，能夠在 內完成對電壓波動的響應。其工作原理基于柵極電壓的控制，控制輸出端的集電極電壓，以應對電網電壓的不確定性。MOSFET器件則用于電流調節，其高速開關能力使其能夠通過脈沖寬度調制（PWM技術實現精準的電流控制，減少并網過程中電流諧波的產生。特別是針對電壓波動劇烈的場合，MOSFET的高頻開關特性使其能夠迅速平滑電流波形，保證電流穩定輸出。不同類型電力電子器件在某分布式能源并網中的具體應用效果見表1。

從表1數據可以看出，IGBT和MOSFET的新型電力電子器件能夠顯著提升分布式能源并網的電壓穩定性和電流控制精度。電壓調節時間從傳統器件的 縮短至 以內，極大改善了對電網不穩定波動的響應能力?？傊C波畸變率（THD）從 7 . 5 % 下降至1 . 8 % ，說明MOSFET在高頻調制中減少了諧波對電網的干擾，提升了電能質量。

2.2光伏與風電系統中的電力電子器件應用

光伏發電系統和風力發電系統的能量轉換與輸送依賴于電力電子器件，特別是IGBT和SiC器件的高效應用。光伏系統的電力輸出受光照條件影響較大，輸出電壓和電流波動頻繁。為了將直流電穩定地轉換為交流電并輸送至電網，光伏逆變器中廣泛采用IGBT器件。IGBT器件的低導通壓降和高耐壓特性，使其在光伏系統中表現優異。

3新型電力電子器件的優化設計

3.1熱管理優化設計在高功率密度中的應用

高功率密度的電力電子器件在工作時會產生大量的熱量，熱量累積會影響器件的性能和壽命，導致器件損壞或效率下降。熱管理優化設計的目的是將熱量有效散發，使器件在高功率條件下保持穩定的工作狀態，延長其壽命并提高整體系統效率。優化設計的核心思路是利用高導熱材料、高效散熱結構和精確的熱傳導路徑設計，將熱量快速傳導至散熱裝置并排出系統。以IGBT模塊為例，通常采用銅散熱片、導熱硅膠墊片及微通道冷卻技術。銅散熱片因其較高的導熱系數（約為 能夠有效將芯片產生的熱量傳導至冷卻系統。微通道冷卻技術可以在模塊內部集成微型流道，使冷卻液能夠快速帶走器件表面的熱量，進一步增強散熱效果。

3.2電磁干擾抑制與信號完整性設計

電磁干擾（EMI）問題在高頻工作環境下格外重要，特別是在高頻開關器件的電路設計中，寄生電感和寄生電容的存在會導致信號傳輸中產生干擾，從而影響系統的穩定性和信號完整性。

假設一個功率變換電路中，導線長度為 ，導線的半徑為 0 . 5 m m ，使用的材料是銅。在這種情況下，寄生電感的大小會直接影響高頻開關器件的性能。寄生電感可以通過下列公式進行計算

式中： L 為寄生電感， 為真空磁導率； l 為導線長度， m; r 為導線的半徑， m 。將導線長度 （即 0 . 1 m 和半徑 0 . 5 m m （即 0 . 0 0 0 5 m 代人公式，計算寄生電感的值為

，

計算結果表明，導線的寄生電感為 0 . 1 1 9 8 2 μ H 這個數值對于高頻開關器件來說會產生顯著的電磁干擾，特別是在頻率高于幾百千赫茲的環境下，寄生電感會導致電流切換過程中產生較大的瞬態電壓，從而影響信號的完整性?？紤]開關電流瞬態過程中，由寄生電感產生的電壓尖峰。電壓尖峰可以用以下公式進行計算

式中： V 為電壓尖峰的大小， 為寄生電感，H；

為電流變化率， A / s 。

假設開關電流的變化率為 ，寄生電感為

0 . 1 1 9 8 2 μ H ，將數值代入公式

計算得出

這個結果表明，寄生電感在開關過程中會產生接近6V的電壓尖峰。這種電壓尖峰會對系統的信號傳輸產生嚴重干擾，并可能導致功率器件的損壞，所以必須對寄生電感進行有效抑制。減少寄生電感的策略包括縮短導線長度、增大導線直徑、優化PCB布局設計等。假設將導線長度縮短至 5 c m （即 0 . 0 5 m ，重新計算寄生電感。代入公式

將寄生電感減少到 0 . 0 5 3 μ H 后，再計算電壓尖峰

計算得出

縮短導線長度讓寄生電感從 0 . 1 1 9 8 2 μ H 減少到0 . 0 5 3 μ H ，電壓尖峰從5.99V降低到 2 . 6 5 V 。這一優化設計有效降低了電磁干擾對系統的影響，改善了信號的完整性。

3.3功率半導體的新材料選擇與集成創新

傳統的硅（Si）半導體材料耐壓能力和散熱能力不足。新材料的選擇，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），能夠顯著提升功率器件的性能，高壓、高溫、高頻等苛刻條件下表現出色。

碳化硅（SiC）作為一種寬禁帶半導體材料，具備較高的擊穿電場強度和較高的熱導率，使其在高壓和高溫條件下依然能夠保持穩定工作。SiC器件的擊穿電場為硅的10倍，允許器件在更高的電壓下工作，并且具有較低的開關損耗。SiC與傳統Si材料的對比見表2。

從表2中可以看出，SiC材料的擊穿電場強度是傳統硅材料的10倍，熱導率是硅的3倍以上，能夠顯著提升器件的耐壓和散熱性能。在超高壓直流輸電系統中，SiC器件的應用能夠有效減少能量損耗，并提高系統的功率密度。

氮化鎵（GaN）則是一種更具潛力的寬禁帶半導體 材料，其禁帶寬度為 3 . 4 e V ，是硅材料的3倍，允許更 高頻率下的穩定運行。GaN器件的高頻特性使其在電 動汽車充電器、光伏逆變器等高頻應用中得到廣泛應 用。GaN器件的高頻開關特性減少了開關損耗，提升 了能量轉換效率。GaN與傳統Si材料的對比見表3。

中的應用與優化設計。IGBT與MOSFET在高效電力轉換中提高了系統的轉換效率和減少損耗，在分布式能源接人和電動汽車充電基礎設施中展現了卓越性能。SiC器件憑借其高擊穿電壓和優異的散熱性能，顯著提升了系統的功率密度與運行穩定性。熱管理優化設計確保了高功率密度器件的長期可靠運行，電磁干擾抑制與信號完整性設計降低了噪聲干擾，新材料的選擇與集成創新進一步推動了電力電子系統的高效發展。所以，新型電力電子器件的廣泛應用和優化設計是未來智能電網建設的重要技術支撐。

GaN器件的高頻開關能力顯著提升了系統的轉換效率，其高達 9 8 % 的轉換效率使其成為未來高頻電力電子應用中的核心器件。GaN材料在極端環境下的優越表現，使得其在新型電動汽車充電系統、5G基站電源等應用中發揮重要作用。

4結束語

本文詳細分析了新型電力電子器件在智能電網

參考文獻：

[1]王文敏，劉波，林夢圓，等.新型電力電子器件在仿型銑上的應用J].中國重型裝備，2022（3）：39-42，55.

[2]吳銀河.面向功率開關應用的新型GaN基HEMT電力電子器件研究[D]西安：西安電子科技大學，2022.

[3]國家重點研發計劃“GaN基新型電力電子器件關鍵技術\"年度交流會議召開[J].西安電子科技大學學報，2019，46（3）：13.

[4]杜元陽.碳化硅電力電子器件在電力系統的應用展望[J].湖北農機化，2019（10）：21-22.

[5]張葦杭.高壓GaN基電力電子器件制備與陷阱電學特性研究[D].西安：西安電子科技大學，2018.