日前，國家能源局局長章建華發(fā)布文章《奮力譜寫統(tǒng)籌電力發(fā)展和安全新篇章》，其中提到，“十四五”以至未來更長一段時期，我國將深入推進碳達峰、碳中和，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，推進電力安全核心技術和關鍵裝備科研攻關，加快芯片模塊、特高壓直流套管等國產化替代，有效解決“卡脖子”問題。

 

目前我國已建成世界上規(guī)模最大的電網，可再生能源裝機容量世界上最大，電網形態(tài)空前復雜。電網運行面臨高比例間歇性、不確定性負荷增多、分布式電源接入、靈活可控、遠距離輸送等難題，高度靈活性可控性的柔性交直流輸電技術已成為支撐高比例新能源電網建設發(fā)展的關鍵技術手段。

 

電力電子裝備是柔性交直流輸電技術的核心，其電壓高達到數(shù)百千伏以上；電流高達到數(shù)千安培；傳送功率約數(shù)十吉瓦，這就迫使內部電力電子器件必須具備高電壓、大電流，更小體積和更高效率。

 

目前大功率電力電子裝備采用的大都是硅基器件，硅基器件耐壓低、電流密度低、頻率低，導致裝置體積大、重量大、功率密度較低，大大限制了電力電子裝備發(fā)展。SiC技術的出現(xiàn)，正好解決了這些棘手問題，用SiC器件替代已有裝置中的硅器件，能實現(xiàn)更高的效率、更小的體積以及更好的可靠性，還能帶來巨大的系統(tǒng)成本優(yōu)勢。除了替代作用以外，SiC技術同樣能用于開發(fā)此前硅基器件難以滿足要求的全新電力電子裝置，例如高頻電子電力變壓器。

 

以遠海風電為例，柔性直流是遠海風電并網的主要技術手段?；诠杵骷膿Q流裝備體積和重量大，導致占工程總成本30%的海上換流平臺造價非常高，因此遠海風電開發(fā)經濟效益一直較低；但如果采用萬伏千安級的SiC器件，換流器體積和重量至少可以縮減一半，從而大大降低平臺造價，促進遠海風電開發(fā)利用。

 

現(xiàn)階段SiC SBD/MOSFET已在中低壓電力系統(tǒng)領域實現(xiàn)商用，SiC單極器件完成硅基雙極器件電壓范圍覆蓋。但在6.5 kV以上高壓領域，需要用到的SiC雙極器件例如IGBT，目前仍處于研究階段。

 

 

 

 

電力電子技術應用的發(fā)展，促成了柔性輸電系統(tǒng)的誕生，能大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。直流斷路器作為柔性直流輸電的關鍵部分之一，其可靠性對整個輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。

 

由于直流斷路器整體電壓高，受限硅器件目前電壓等級，使用傳統(tǒng)硅基器件設計直流斷路器需要多級子單元串聯(lián)，在直流斷路器中使用高壓SiC器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，是電力行業(yè)的重點研究方向。

 

 

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網技術以及可再生能源的發(fā)展，固態(tài)變壓器作為其中的關鍵技術受到廣泛關注。固態(tài)變壓器(SST)是一種集高頻變壓器、電力電子轉換器和控制電路為一體的新興技術。它的目標是用“智能”解決方案取代傳統(tǒng)的線頻率分布變壓器。SST技術會影響許多領域的發(fā)展，比如：智能電網、牽引系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)(RESs)等等。

 

由于受電壓、功率等方面的限制，硅基器件在固態(tài)變壓器應用中不得不采用串、并聯(lián)技術和復雜的電路拓撲來達到實際應用要求，導致裝置的故障率和成本大大增加，制約了固態(tài)變壓器在智能電網應用的進一步發(fā)展。而SiC突破了硅基功率器件電壓和溫度限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性，將有利于固態(tài)變壓器的結構簡化及可靠性提升。

 

 

靜止同步補償器 (STATCOM)是一種并聯(lián)型無功補償?shù)娜嵝暂旊娧b置，它能夠發(fā)出或吸收無功功率，并且其輸出可以變化以控制電力系統(tǒng)中的特定參數(shù)。

 

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作為開關。如IGCT其耐壓可達6.5kV，通斷電流可達4000A。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級仍然偏小，需要依靠多電平拓撲或器件串聯(lián)，來提高耐壓能力。未來隨著高壓SiC技術研發(fā)成功，STATCOM的結構或將大大簡化。

 

 

 

大功率器件電壓高，電流大，芯片面積非常大，所以對材料要求更高。若芯片面積內出現(xiàn)一個缺陷，整個芯片便失效，沒有成品率而言。因此，高壓器件要求襯底的缺陷密度越低越好。同時，在外延部分要進行外延缺陷的嚴格控制。另外，目前市場上缺乏P+襯底，也限制了高壓大功率n溝道IGBT器件的產業(yè)化。

 

 

SiC的終端場強約為Si的3倍，芯片終端尺寸有非常大的差異，傳統(tǒng)的灌封材料硅凝膠等材料無法滿足SiC封裝要求，需要有開發(fā)新的高絕緣灌封材料。另一方面，SiC頻率要求較高，封裝寄生參數(shù)（電感、電容、電阻）應盡可能低并保持一致；且SiC模塊尺寸小，芯片熱應力集中，需要更為先進的散熱工藝。

 

 

對于10kV以上超高壓領域，目前業(yè)界一種方案是采用IGBT、GTO等具有明顯理論優(yōu)勢的雙極器件，但因其多層材料外延生長難度大，載流子壽命過低，難以充分發(fā)揮雙極效應。另一種方案則是采用超結或者半超結的MOSFET進行相應導通電阻優(yōu)化。從現(xiàn)階段來看，具體采用何種方案仍需要進一步研究驗證。