核心提示 新型碳化硅器件具有高电压、大电流、快速开关的特点，很适合在新型电力系统应用。国网智研院依托国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项潜心攻关，突破了碳化硅器件制造和碳化硅高端电力电子装备关键技术，相关成果有效助力雄安零碳交通能源互联网建设。
高比例电力电子装备是新型电力系统的主要特征之一。传统电力电子设备采用的硅器件历经60年开发，已达到理论性能极限，而新型碳化硅器件具有承载电压高、功率损耗低、本体耐高温等优势，是电力电子装备升级换代的关键核心技术。“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，强化国家战略科技力量，瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目；在集成电路领域，加强碳化硅、氧化镓等宽禁带半导体材料发展。
(资料图片仅供参考)
碳化硅产业正处于高速发展时期。2012年起，国网智能电网研究院有限公司依托国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项，成立碳化硅功率器件攻关团队，潜心攻关碳化硅器件制造和碳化硅高端电力电子装备关键技术，突破了国产6.5千伏碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）芯片及模块封装核心技术，成功研制35千伏/5兆瓦全碳化硅电力电子变压器，并在国网河北省电力有限公司示范应用，服务雄安零碳交通能源互联网建设。
打破国际垄断，成功研制国产高压大容量碳化硅器件
“新型电力系统的发展离不开电力电子技术，功率器件是电力电子装置的核心。要实现原始创新，不受制于国外技术影响，就要突破碳化硅器件和应用的关键核心技术。”国网智研院电力电子所所长赵国亮介绍。
碳化硅具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更大的电子饱和漂移速度。禁带越宽，价带电子要进入导带成为自由电子所需的额外能量就越大，耐压水平就越高；更高的导热率可以实现更好的散热性能，通流能力更大；碳化硅的电子饱和漂移速度是硅的2倍，可以使开关速度更快。
具有高电压、大电流、快速开关特点的碳化硅器件十分适合用于新一代电力电子装备。国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项负责人杨霏说：“碳化硅器件理论上具有高结温、高电压、低损耗的特点，非常适合在电网应用。它的广泛应用将推动电网的电力电子化进程。”
目前，在全球碳化硅产业格局中，我国企业虽然在碳化硅衬底、外延和器件方面均有布局，但仍处于追赶阶段。为打破国际垄断，实现我国电力电子器件和装备的原始创新，在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项支持下，国网智研院于2012年成立碳化硅功率器件攻关团队，自主攻关碳化硅芯片和封装两大核心关键技术。历经10年研究，相关技术达到国际同等水平并通过第三方检测。
高压模块多芯片并联封装对芯片提出了电压高、电流大、一致性好的更高要求。碳化硅功率器件攻关团队基于自主研制的低缺陷厚外延材料，提出了低表面电场强度的高压芯片终端结构，攻克了高质量栅氧、短沟道自对准技术等关键工艺，破解了设计和工艺兼容性差、导通电阻大、碎片率高等难题，在国内首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工艺。团队于国内首次批量研制了具有高耐压、高通流能力的6.5千伏/25安碳化硅芯片。该芯片通过了高温栅偏、高温反偏等系列可靠性测试，芯片技术指标达到国际产品同等水平，部分关键指标优于国际同型器件。
高压大容量碳化硅器件封装则面临着并联封装的电磁热均衡难、高电场强度下的绝缘配合难、碳化硅封装的工艺尚处于空白状态的挑战。攻关团队攻克了高压绝缘设计、高导热性焊接、高可靠性绝缘灌封等核心技术，突破了高压、低寄生参数封装的技术瓶颈，创新提出了基于转移曲线距离系数的芯片聚类分组方法，解决了大电流封装面临的多芯片并联均流难题，研制了国际上同电压等级中电流最大的6.5千伏/400安碳化硅MOSFET模块。
发挥碳化硅器件优势，实现电力电子装备性能升级
利用碳化硅器件高电压、大电流、高速开断等特性，能制造高功率密度、高效率的电力电子装备。碳化硅电力电子变压器能实现交直流等不同形式电能的灵活接入，提高新能源电量消纳水平。使用碳化硅器件，电力电子变压器能更加紧凑高效。
国网智研院电力电子所装备室主任徐云飞介绍，碳化硅电力电子变压器中的两个核心装备是驱动器和高频变压器。其中，驱动器是让碳化硅器件可靠工作的控制器，是控制保护的“大脑”和功率器件的接口，也是强弱电连接的桥梁；高频变压器是起到隔离和变压作用的关键设备，是实现高频化和紧凑化的关键所在。
目前，高压6.5千伏碳化硅器件并没有可用的商业化驱动器。碳化硅功率器件攻关团队深入研究器件开关过程，提出栅源电压阶梯驱动控制技术，解决了高速开关过程中的过电压及振荡问题，降低器件开关过程损耗6%～10%；研制出适用于1.2千伏～6.5千伏碳化硅器件的模拟-功率混合型驱动保护芯片，有效提升了驱动保护器集成度与电磁兼容性能。此外，攻关团队还研制了10千赫兹/10千伏/243千伏安的全环氧固封干式高频变压器，效率为99.63%，达到国际领先水平；研制出世界首台35千伏/5兆瓦碳化硅电力电子变压器，采用三相一体式结构，相比同等电压和容量的变压器，体积进一步缩小。
建设碳化硅柔性变电站，助力雄安零碳交通发展
6月28日，在雄安新区容易线公路上，一辆辆电动重型卡车将砂石骨料运往施工现场，用于城市建设。南水北调雄安调蓄库是服务雄安新区的重大水利工程，调蓄库开挖山体产生的弃渣经加工转化为建筑骨料，并运输至施工现场使用。如果全部使用柴油重卡运输，会造成巨大环境污染。为落实“双碳”目标，基于雄安新区建设需求和零碳交通发展需要，国网河北电力在建材运输通道智慧驿站内建设了35千伏碳化硅柔性变电站科技示范工程，为电动重卡换电站提供清洁、高效、可靠的直流电能，国网智研院研制的碳化硅器件和核心装备也从实验室走向了生产一线。
35千伏碳化硅柔性变电站的核心设备是交直流变换的三端口碳化硅电力电子变压器，两路电源进线分别为交流35千伏、交流10千伏，输出电压为直流750伏，相较于传统变电站，增加了直流接入、潮流优化控制等功能，实现了在分布式光伏发电、直流充换电、储能和数据中心等场景的示范应用。碳化硅功率器件攻关团队研制的核心装备在该变电站应用，实现了碳化硅器件材料、封装、测试、装备全链条自主研发制造。
“35千伏碳化硅柔性变电站的投运，将有力支撑国产芯片在新能源发电、电动重卡充换电、新型储能等领域的应用，也为新型电力系统建设提供可复制推广的柔性交直流输配电网示范工程经验。此外，清洁电能与低碳交通的融合，也是对‘双碳’目标实现路径的有益探索。”国网河北电力科技部主任杨鹏介绍。
