碳化硅器件在节能减排领域的应用展望

Energy of China - - Contents | 目录 - 许 泓,任荣杰 (中节能工程技术研究院有限公司,北京 1 )

引言

摘要:碳化硅(silicon carbide, SiC)器件具有高温、高频、高效等特性,经过多年的发展已经形成了SiC 二极管、MOSFET 和功率模块等系列器件和模块,具备产业化的应用基础。本文介绍了 SiC 功率半导体器件的产品技术特性,分析 SiC 系统在高效化、小型化、低成本及高可靠性方面的优势以及在光伏发电、电动汽车、列车牵引系统及风力发电等节能减排领域的应用前景;指出 SiC 器件目前在推广应用中面临的瓶颈问题、SiC 领域国内外技术存在的差距,并预期其将迎来发展机遇。关键词:SiC 器件;节能减排;光伏逆变器;展望中图分类号:T. 1 文献标识码:A 文章编号:1 - 55-( 1 ) - - 5 Doi: 1 . 9 9 M.issn.1 - 55. 1 . .

Abstract: Silicon carbide device has the characteristics of high temperature, high frequency and high efficiency. And SiC diode, MOSFET and power module have been developed after years research and development, which have the foundation to commercialize. The article introduces the technical characteristics of SiC power semiconductor devices and analyzes the advantages of SiC system in high efficiency, miniaturization, low cost and high reliability, and the application progress and prospect of SiC devices in energy saving and emission reduction fields such as photovoltaic power generation, wind power generation, train traction system and electric vehicle. Finally, the bottlenecks in the application of SiC devices are discussed, pointed out the technical gap between China and abroad, and the SiC field will usher in a new period of development.

Key words: SiC Device; Energy Saving and Emission Reduction; Photovoltaic Inverter; Prospect 硅(Si)材料是目前电力电子器件的主要材料,对其研究开发已达到硅物理特性的极限,因此对

宽禁带半导体器件的研究已成为必然趋势。SiC 半导体材料是近年来国际半导体领域研究的热点之一,也是全球战略竞争新的制高点 [1]。 1 年日本将 SiC 纳入了“首相战略”,认为未来 5 的节能要通过 SiC 来实现; 1 年 1 月,美国时任总统奥巴马亲自主导成立了由1 家企业、 所大学和国家可再生能源实验室( 1REL )共同组成的美国碳化硅产业联盟,并设立总额达 1. 亿美元的 专项资金,支持全产业链快速突破发展。在国内,《中国制造 5》以及《能源技术创新“十三五”规划》都明确将 SiC 产业定位为重点支持行业。

SiC 是继第一代元素半导体Si、第二代化合物

半导体砷化镓(GaAs)之后发展起来的第三代半导

体材料(即 SiC、Ga1 等)的代表,作为一种宽禁带材料具有优越的材料性能,在高温、高频、大功率器件和集成电路制造领域有着广阔的应用前景。

1 碳化硅技术产品特性

作为宽禁带材料,与 Si 相比,SiC( H-SiC)具有 倍的禁带宽度,1 倍以上的临界电场强度,

倍以上的电子饱和漂移速度,高熔点( ℃),倍的导热率等特性,见表 1。 相应开发的 SiC 电力电子器件和模块具有以下优异的特性:

(1)高温下具有良好的转换特性和工作能力,

理论最高工作温度可达 ℃。目前商业化 SiC

功率模块产品的最高结温达到 5žC[ ]。

( )可实现更高的系统效率。由二极管和开关管组成的逆变电路中,仅将二极管材料由 Si 换成

SiC ,逆变器的电能损失就可以降低 15 a ;如果开关管材料也换成 SiC,则电能损失可降低一

半以上 [ ]。( )可在更高的开关频率和电压状态下工作。

1 k9 的器件可以工作到 kHz,电感、电容等储能和滤波部件易实现小型化。

( )损耗降低,发热量相应减少。可以降低对冷却系统的要求,进而缩小或者省去系统中的冷却部件,实现器件及系统的小型化。(5)具有高的抗电磁波冲击和高的抗辐射破坏能力,抗中子能力是 Si 器件的 倍。

因此,SiC 器件能够满足航空航天、电力传输、机车牵引、高效光伏发电及风电系统、新能源汽车、现代国防武器装备等重大战略领域对高性能、大功率电力电子器件的迫切需求,被誉为是带动“新能源革命”的“绿色能源”发展的器件。

SiC 等第三代半导体电力电子器件已初步具备产业化应用条件。法国 <ole 咨询预测,SiC 功率器件市场在最近 5 年( 1 年至 年)里将保持 的复合年增长率。我国是世界上最大的电

力电子市场,消费量占世界总量的一半以上,SiC

器件在我国具有巨大的应用前景。

2 碳化硅器件在节能减排领域的应用

在电力电子系统应用的众多领域,如光伏逆变器、电动汽车、电力机车、工业电机、风电变流器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等,

SiC 器件将逐步展现出其提高系统效率、降低系统成本和提高整体可靠性方面的优势。作为下一代

电力电子器件发展的主要方向,SiC 器件将为节能减排领域带来重要的技术革新,在提高电能利用效率和实现清洁能源目标方面起到重要推动作用。

2.1 SiC 在光伏发电领域的应用

随着光伏电池组件和逆变器成本的不断降低,光伏发电成为未来清洁低碳能源体系的重要组成部分。为了兼容交流电网,光伏电池必须依靠逆变器作为与电网的接口,逆变器是保障光伏发电系统高效、经济和稳定运行的重要一环。当前,随着光伏发电政策紧缩、平价上网来临,对光伏逆变器的高效、高功率密度、高可靠性和低成本等提出了更高的要求。现有光伏逆变器普遍采用

Si 器件,经过 多年的发展,器件性能已经接近理论极限。未来需要从根本上提升光伏逆变器的

性能,SiC 等宽禁带器件在逆变器中的广泛应用成为必然的发展趋势。

目前常见的组串式逆变器一般采用两极结构,如图 1所示,在逆变电路之前为 DC-DC 升压电路,通常是 %oost拓扑结构,以增加对光伏电池输出电压范围的适应性。直流电路的输入电压一般为 5 9a1 9,Si MOSFET 的耐压不超过 1 9,因此光伏逆变器普遍采用 IG%T 器件,受到 IG%T 拖尾电流的影响,且器件的开关损耗较大,开关频率难以提升,最高开关频率在

kHz 左右。SiC MOSFET 器件的耐压可以达到

1 9a17 9,可以完全满足光伏逆变器耐压高的需求,其工作频率在1 kHz 以上,甚至可以达到数 MHz[ ,5]。

SiC MOSFET 取代 Si IG%T,一方面可以降低损耗,提升逆变器效率;另一方面,通过提升开关频率,降低直流母线电容和输出滤波电感等无源元件的体积和重量,降低系统成本,提升功率密度。商业化 Si 器件的最高结温通常在 175℃,现有 SiC

器件的结温普遍在 5℃,相对于 Si 器件,更高的工作结温和更低的损耗允许 SiC 器件采用更简单的冷却方式,提升器件和逆变器的可靠性和寿命,并降低散热器的体积和重量,进而进一步提升功率密度,降低逆变器的成本。此外,由于开关频率的提高,电能质量也将进一步得到提升。

高效、高功率密度、高可靠性和低成本是光

伏逆变器的未来发展趋势,因此德国英飞凌、日本富士电机、田渊电机等企业纷纷在光伏逆变器中采用 SiC 器件。国内的英威腾等逆变器厂家正在开发的第三代光伏逆变器,其亮点也是采用 SiC器件代替 IG%T 器件。

SiC S%D率先在光伏逆变器市场中得到应用,取代升压二极管和逆变段的续流二极管。富士电机开发了基于 SiC MOSFET 和 SiC 二极管的

%oost 升压电路,产品于 1 年 月发布,1MW光伏逆变器的转换效率从9 .5 提高到 9 . ,其体积减小了 。 15 年 1 月,三菱电机也推出了全球首款全 SiC 光伏逆变器产品, . kW 逆变器的转换效率达到了 9 [ ,7]。

2.2 SiC 在电动汽车领域的应用

电动汽车日益成为全球汽车行业发展的一大趋势,并且受到了各国的大力支持。国际能源署

(IEA )发布的《 1 年全球电动汽车展望》报告显示, 17 年电动汽车( E9 )的销量达到 11 万辆,比 1 年增长了 5 ,创历史新高。中国成为世界最大的电动汽车市场, 17 年销售近

5 万辆,比 1 年增长了 7 ,占到全球市场的半壁江山。但是,续航里程焦虑和充电焦虑依旧是制约电动汽车发展的重要因素,智能化、轻量化、集成化将是电动汽车未来发展的趋势,而SiC 器件将成为加速电动汽车发展的重要助力。逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供

动力,是纯电动汽车和混合动力汽车(HE9)中的

核心部件之一,传统上使用Si IG%T 功率模块作为电动汽车逆变器的核心功率器件,受到汽车底盘空间尺寸小、工作温度高等限制,面临诸多挑

战。而 SiC逆变器具有耐高温和宽禁带的特性,可实现更快的开关频率,显著减小电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度,满足电动汽车市场对更小、更轻、更高效的高功率密度驱动

系统的需求。特别是对于大功率HE9,一般包含两套水冷系统,冷却温度为1 5 ℃的引擎冷却系

统和冷却温度约为7 ℃的逆变器冷却系统。如果

采用 SiC功率器件,可以将两套水冷系统合二为

一,大大降低了 HE9 驱动系统的成本。此外,SiC功率器件的耐高温、高导热性能也使得风冷模式

在未来的中、大功率电动汽车中应用成为可能[ ]。在充电桩领域,SiC 器件已经开始得到应用。基于SiC 器件的充电桩体积小,节省空间,充电桩布设更多更灵活,还能提高充电速度。

17 年 月,Wolfspeed 公司发布了其第代 1 9 75m Ω的 SiC MOSFET 器件,在美国环境保护局( EPA)的城市 高速公路续航标准下

测试,SiC 器件使 E9 驱动逆变器的损耗较传统的逆变器减少了 7 。这种效率的提升也为电动汽车在工作环境、电池选型和车辆设计方面提供了新的选择。 1 年,英飞凌推出了首款车用 SiC二极管,可应用于 E9 和 HE9 的车载充电器。据介绍,多个汽车制造商已经推出或宣布在汽车中使用 SiC 功率器件,包括比亚迪、特斯拉、丰田和雷诺等制造商。

2.3 SiC 在列车牵引系统的应用

列车牵引系统,主要由受电弓、牵引变压器、脉冲整流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统等组成,见图 。受电弓将接触网的

AC 5 k9 单相工频交流电输送给牵引变压器,经

变压器降压输出 15 9单相交流电供给脉冲整流器,脉冲整流器将单相交流电转换成直流电经中

间直流电路将 DC 9a 9的直流电输出

给牵引逆变器,牵引逆变器输出电压 a 9 及

频率 a Hz 可控的三相交流电供给异步牵引电动机。整个系统可以实施牵引时的电力供应和制动时的再生制动,实现能量的双向流动。

由于 SiC 器件损耗小,耐受高频、高温及大电流的工况,可以通过 SiC 核心器件的应用带动整个牵引系统的优化。不仅主变流器可实现小型、轻量化,而且牵引电机及牵引变压器也可以实现大幅度小型、轻量化 [9]。

日本东海铁路客运公司在 15 年开发了基于

SiC MOSFET 的牵引系统,在牵引电动机的开发上充分利用 SiC 器件大电流化的特性,减轻铁芯重量。同时将牵引电动机的极数由 级改为 级,可以使定子的铁芯减薄,转子直径增大。因此,相比于相同转矩的 极牵引电动机,铁芯的轴向长度缩短,实现了电动机的小型化、轻量化。

在主变流器的开发上,利用 SiC 器件的高温特性,主变流器的冷却方式由外加风扇的强迫风

冷却更改为走行风冷却,同时功率器件的布置由目前的 排并联减为 1排,从而进一步实现装置的小型化、轻量化。

在牵引变压器的开发上,利用 SiC 器件实现了脉冲整流器的高频化,降低了输出电流的谐波含量,使通往牵引变压器的高频电流减少,降低了牵引变压器的热负荷,从而减小绕组线径,实现绕组及铁芯的小型、轻量化,并实现其冷却系统的小型化、轻量化。

牵引系统在世界上首次实施了高速铁路上的运行试验,试验结果表明,在 SiC 器件的温度裕度等方面达到了预期的结果,已确立了实用化目标。此外,相比传统的 17 系的主电路系统,每编组列车主电路系统可减轻 11 t 的重量。

此外,三菱电机设计的基于 15 9 直流电网的“全 SiC 999F 逆变器装置”在商业运营中的小田急电铁车辆上验证了节能效果。采用全SiC 逆变器后与原先采用 Si GTO 相比,列车牵引系统加速时的“行驶用电量”减少了约 17%。制动电能再

生率由原来的 .1 提高至 5 .1 ,系统整体实

现了节能约 %的效果。

2.4 SiC 在风力发电领域的应用

随着陆上风电的不断饱和,海上风电得到了越来越多的关注,同时风电机组的容量不断增大,据报道世界上最大的海上风力发电机组容量已达到

1 MW。在欧洲,风电已能满足超过 万人的生活需要,预计到 年欧洲将会有近 亿人完全

使用风电。截至 17年末,我国的风电累计并网

装机容量已超过1 GW,年均增长达到1 GW,已成为当今世界风力发电市场的重要组成部分。

风力发电系统中的变流器通过整流和逆变环节将不稳定的风能转变成电压及频率和相位符合并网要求的电能,其性能指标的优劣直接影响整个系统的发电效率、可靠性和安全性。现有变流器拓扑结构已由两电平、三电平向H桥级联型、矩阵变换器等多电平拓扑方向发展,使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高,有效降低了线路损耗。若在这些电力电子装置中采用 SiC 器件,其卓越的性能将为风力发电系统带来革命性的变化。

基于 SiC MOSFET 的大功率逆变器可不再使用器件或拓扑串联,开关频率可工作于 kHz 以上,将显著减小装置的体积和成本,工作效率也显著提高。有研究表明, MW双馈风电系统在

额定风速下,SiC MOS 两电平变流器较 Si IG%T 两电平变流器的效率高 . ;SiC MOS 三电平变流器较 Si IG%T 三电平变流器的效率高1. (开关频率 kHz)[1 ]。此外, SiC IG%T 器件可以达到 1 k9及以上的耐压水平,可以简化高压变换器的拓扑,为高压风力发电机开发提供新的思路。同时,海上风电超长距离输电一般采用以

电压源换流器为基础的柔性直流输电技术(9SCH9DC)。由于换流站工作时需要承受高达几百千

伏的电压以及高达几千安培的电流,传统的 IG%T器件存在着器件串联、动态均压困难以及导通损耗大等问题,因此对于更大容量、更高功率密度的新型 SiC IG%T、SiC GTO 等器件的应用有着迫切需求。

3 存在的问题

尽管 SiC 器件在光伏发电、电动汽车等节能减排领域具有众多的优势和广泛应用的前景,但是现阶段仍存在一些制约 SiC 器件发展和推广的瓶颈问题。

(1)SiC 工艺未完全成熟目前 SiC 晶体的生长主要使用物理气相传输

法(P9T 法)。需要攻克高温温度场精确控制、微管缺陷控制、“固气固”生长控制技术、单一晶型控制以及直径放大技术等技术难点。此外,国内技术水平与国际先进水平相比存在代差,制备出的晶体存在诸多缺陷,如微管、夹杂、位错等,是制约 SiC 功率器件向高压、大容量、低成本方向发展的主要瓶颈。国内外学者对 SiC 制备工艺和生长机理等进行研究的最终目的就是消除缺陷,使晶体的质量提高、尺寸增大。其中,实现P9T生长室的热场稳定分布,并生长出无微管缺陷的SiC 单晶是科学研究的重点。

( )SiC 高温封装技术

由于大尺寸 SiC 晶片生长及外延技术目前还不甚成熟,要实现单只晶圆的大面积器件仍非常困难。因此,以多芯片组合方式构成的高温功率

模块成为满足大电流应用的主要方式。SiC器件的工作温度可达 ℃,远高于传统 Si 器件的

15 ℃,现有的模块封装结构不能承受较高的温度,成为 SiC 功率器件应用的一大瓶颈。研究人员一直在努力寻找新型的焊接工艺、互连方法以及封装材料,以替代目前的平面封装结构和引线键合工艺,彻底消除由此带来的各种问题。近年来,新的封装技术,如瞬间液相键合工艺、固液扩散工艺、纳米银烧结工艺和双面金属化芯片工

艺等,可能成为未来 SiC 器件的主流封装工艺。( )SiC 系统集成技术

SiC 器件的性能发挥与其驱动、控制、冷却、结构、无源元件等密切相关,目前与 SiC 器件兼容的无源器件、驱动器尚未商业化,为降低产品成本,往往在 SiC 系统中使用传统的电气元件,如在已有的系统上仅进行器件替代,这将限制 SiC材料和器件的潜力,同时影响整个系统的可靠性和寿命。因此,必须进行 SiC 系统集成技术的研究和设计,使得外围电气元件不受来自SiC 器件的高频、高温的影响,并提高系统效率。例如,高频状态下的磁性元件铁芯涡流损耗增大会导致变换器的效率降低和温升增大,须研究使用非晶合金等新的磁性材料和绕制工艺,同时低频下可以忽略的某些寄生参数,如磁元件的漏感和分布电容等在高频下将对电路某些性能产生重要影响,需要引起研究者的高度重视。

4 结论

基于第三代宽禁带半导体材料, SiC 功率器件具有高温、高频、高效等特性,而 SiC 系统拥有的高效化、小型化、低成本及高可靠性的优质功能,最终将部分取代硅基器件在电力电子领域中的应用。经过近 年的研究和开发,SiC 技术和产品已经具有较高的成熟度和可靠性,具备大规模商业化应用的条件,在光伏发电、电动汽车、列车牵引和风力发电等领域具有广泛的应用前景。

目前,SiC 器件的推广应用仍面临 SiC 单晶生长、 外延工艺未完全成熟以及高温封装技术和系统集成技术尚待突破等难题。因此,今后5 年将是我国在电力电子半导体领域攻克 SiC 器件技术难点实现弯道超车的机遇期。

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