倪喜軍

（南京工程學院電力工程學院，南京211176）

高壓SiC器件在FREEDM系統(tǒng)中的應用

倪喜軍

（南京工程學院電力工程學院，南京211176）

碳化硅SiC（silicon carbide）是目前最為成熟的寬禁帶半導體材料之一，在高壓、高溫、高頻等領(lǐng)域，碳化硅器件的研究和應用已成為當前的研究熱點。針對碳化硅器件目前的生產(chǎn)使用狀況，簡述了與碳化硅主要生產(chǎn)商CREE緊密合作的FREEDM中心的研究情況，重點分析了高壓 SiC MOSFET，IGBT，ETO，JFET在 SST（Solid State Transformer）和FID（Fault Isolation Device）中的應用。針對各類器件本身的特性，F(xiàn)REEDM中心有針對性的選擇了相關(guān)應用領(lǐng)域，并開發(fā)了多代SST和FID的拓撲，許多重要的研究成果引領(lǐng)了全球高壓SiC器件的研究趨勢。

碳化硅SiC；固態(tài)變壓器；故障隔離裝置；三電平NPC；軟開關(guān)；直流-直流變換器

2008年，美國北卡羅萊納州立大學Alex Q. Huang教授等效仿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的路由器，文獻［1］提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management（FREEDM）”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，率先提出了能源路由器的概念。該FREEDM中心由美國NSF投資6 000萬美金建立，并在2014年由美國DOE再次投資1.4億美金成立全美寬禁帶器件研制和應用的領(lǐng)導機構(gòu)Power America。

FREEDM中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要具有以下特征：

（1）主要由DGI（distributed grid intelligence）控制系統(tǒng)的核心部件固態(tài)變壓器（SST）和故障隔離裝置（FID）實現(xiàn)智能控制功能；

（2）系統(tǒng)連接12 kV交流中壓配電母線，低壓接口電壓為DC 380 V及AC±120 V，即交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)同時存在；

（3）低壓裝置為即插即拔型設(shè)備，如Distributed Renewable Energy Resource（DRER）和 DistributedEnergy Storage Device（DESD）等，通過直流配電網(wǎng)集成在FREEDM系統(tǒng)中；

（4）數(shù)據(jù)鏈路采用DNP3協(xié)議（類似IEC61850）進行數(shù)據(jù)交換，標準開放的分布式電網(wǎng)接口模式。

1FREEDM系統(tǒng)

FREEDM中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從其定義看，其最核心的固態(tài)變壓器和故障隔離裝置由電力電子器件組成，因此功率器件的性能將決定FREEDM系統(tǒng)應用的成敗，開發(fā)和應用新型材料器件成為其發(fā)展的內(nèi)在動力。

圖1　FREEDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of FREEDM system

近年來，碳化硅材料因其出色的物理及電特性，越來越受到產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，是研究較為成熟的寬禁帶半導體材料之一。碳化硅器件的重要優(yōu)勢在于具有極高的絕緣擊穿場強（2.5 MV/cm）和飽和漂移速度，與Si相比，能夠以更高的雜質(zhì)濃度和更薄的漂移層厚度制作出600 V至數(shù)十 kV的高耐壓功率器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積漂移層阻抗可以降低到Si的 1/1000。另外，SiC高溫（大于500℃）特性和高導熱率，突破了硅基功率半導體器件溫度（小于175℃）限制所導致的嚴重局限性，可以應用于更廣泛的領(lǐng)域。

隨著高壓碳化硅功率器件技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出了6.5 kV的JFET［2］、15 kV的碳化硅二極管［3］，20 kV的門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）［4］，15 kV的碳化硅MOSFET［3］和15 kV碳化硅IGBT［5］等，如表1所示。這些高壓SiC器件的研發(fā)成功，將在未來的電力系統(tǒng)微網(wǎng)、交直流輸電和FACTs裝置，以及電動機車、艦船、光伏發(fā)電［6，7］等領(lǐng)域開辟全新的應用方向。

表1　目前已有的SiC器件及其產(chǎn)商Tab.1　Currently existing SiC device and their manufactures

2　15 kV SiC MOSFET的應用

第1代10 kV SiC MOSFET芯片耗盡層厚度為100 μm，面積為0.656 cm2，單芯片額定電流為20 A，單位面積電阻約為100 mΩ/cm2（25℃）。通過技術(shù)改進，第2代15 kV芯片耗盡層厚度為150 μm，面積為0.64 cm2，單芯片額定電流為10 A，單位面積電阻約為204 m/cm2（25℃）。當直流母線為6 kV，開關(guān)電流為15 A時，F(xiàn)REEDM自制驅(qū)動電路的測試結(jié)果表明，總的開關(guān)損耗約為6.5 mJ（150℃）。由于高壓SiC MOSFET體二極管的動態(tài)性能較差，常采用如圖2所示的電路，在高壓MOSFET的漏極串入一個低電壓的Si二極管，并在串聯(lián)體兩端并聯(lián)反向的15 kV SiC JBS二極管，該JBS二極管僅有很小的電容性反向恢復電流，且正向壓降也較小。目前，單片15 kV SiC JBS二極管的面積是0.81 cm2，單芯片室溫下的電流為40 A，導通壓降約為10 V（20 A）。

圖215　kV SiC MOSFETT電路及樣品Fig.2　Circuit and prototype of 15 kV SiC MOSFET

2.1第2代SST

圖3為第2代SST的拓撲［3，8］，相對于第1代SST［9，10］，其主要采用高壓15 kV SiC MOSFET取代6.5 kV Si IGBT。其顯著的特點是：（1）拓撲電路相對簡單，兩電平取代3單元級聯(lián)多電平；（2）開關(guān)運行頻率高，AC-DC側(cè)電路硬開關(guān)的開關(guān)頻率達6 kHz，而DC-DC變流器軟開關(guān)頻率達20 kHz，但變壓器和輸入電感體積顯著減小；（3）由于開關(guān)頻率提高，變壓器和電感鐵芯的開關(guān)噪聲明顯降低，運行環(huán)境改善；（4）低功率時的軟開關(guān)區(qū)域仍然相對較小，對高壓SiC MOSFET驅(qū)動電路的干擾影響大；（5）整個系統(tǒng)的效率大約提高10%以上，達到94%。

目前，第2代SST的運行功率為20 kVA，不僅可以實現(xiàn)高壓側(cè)無功補償、功率雙向傳送等基本功能，還可實現(xiàn)故障隔離、低壓側(cè)電能質(zhì)量治理等附加功能。在低壓側(cè)直流母線接入新能源，并通過合理的控制，可以實現(xiàn)微網(wǎng)調(diào)節(jié)功能［11，12］。

圖3　第2代SST拓撲Fig.3　Topology of Gen-2 SST

2.2第3代SST

針對第2代SST軟開關(guān)區(qū)域小、器件驅(qū)動干擾大的缺點，提出了第3代SST，其拓撲如圖4所示。該電路可以保證全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，且通過Burst模式可進一步提高電路整體效率，其完善的保護機制保證電路的可靠性［13］。此外，第3代SST交流輸入側(cè)采用Dual-buck電路，該電路充分利用SiC二極管可忽略反向恢復過程的優(yōu)點，在不設(shè)置死區(qū)時間的前提下，防止橋臂直通故障，盡可能地發(fā)揮SiC器件的高頻特性。使用該電路后，MOSFET無需串聯(lián)低壓阻斷二極管，封裝相對簡單，雜散電感小。最后，該電路通過使用高壓SiC IGBT器件組成工頻開關(guān)橋臂，可顯著降低電路的開關(guān)損耗和MOSFET的通態(tài)導通壓降，提高裝置的整體效率。目前，Dual-buck電路硬開關(guān)的開關(guān)頻率達6 kHz，DC-DC變流器高壓側(cè)SiC MOSFET軟開關(guān)頻率達40 kHz。

圖4　第3代SST拓撲Fig.4　Topology of Gen-3 SST

3　15 kV SiC IGBT的應用

針對MOSFET導通壓降大的缺點，IGBT依靠少數(shù)載流子注入的調(diào)制機理降低器件的導通壓降，但該調(diào)制也導致了較長的載流子壽命，因此IGBT關(guān)斷時刻擁有較大的拖尾電流，進而增大了IGBT的開關(guān)損耗，使其實際運行的開關(guān)頻率相對MOSFET降低。如圖5所示，第1代15 kV SiC IGBT芯片面積為0.45 cm2，單芯片室溫下的電流為40 A，導通壓降為6.1 V（32 A），VGE=20 V。由于IGBT制作工藝相對MOSFET復雜，SiC IGBT的成品率仍然較低，目前CREE的IGBT供貨情況不是很明朗，還有待提高和改進。

文獻［14］提出了基于SiC IGBT的三電平NPC 型SST，圖6所示。該三電平NPC通過器件的串聯(lián)實現(xiàn)高耐壓，同時通過多電平調(diào)制方式可提高總電路的等效開關(guān)頻率，有效地降低器件的電壓應力和開關(guān)損耗。相對其他多電平方式，該電路相對簡單，且控制和調(diào)制策略成熟。其主要的難點在于高頻變壓器設(shè)計、高壓器件驅(qū)動技術(shù)、安全隔離布置等。

圖515　kV SiC IGBT樣品Fig.5　Prototype of 15 kV SiC IGBT

圖6　基于15 kV SiC IGBT的三電平SSTFig.6　Three-level SST based on 15 kV SiC IGBT

4　20 kV SiC ETO的應用

FID是未來智能能源互聯(lián)網(wǎng)的另外一個重要裝置，其性能優(yōu)劣將極大影響能源互聯(lián)網(wǎng)的整體運行性能。FREEDM的第1代FID［15］采用6.5 kV IGBT，其主要的問題是體積大，驅(qū)動電源接線復雜且隔離要求高，關(guān)斷損耗極大。隨著SiC器件的發(fā)展，高壓大電流GTO成為可能，但常規(guī)的GTO很難實現(xiàn)快速關(guān)斷，并且不能在直流電路中關(guān)斷短路電流?；?5 kV SiC GTO的ETO原理及GTO樣品如圖7所示。圖7（a）中，通過在門極和發(fā)射極加入低壓MOSFET可形成開關(guān)自由的Emitter Turn-off （ETO）Thyristor，該ETO通過在門極加負壓，并關(guān)斷發(fā)射極MOSFET，轉(zhuǎn)移發(fā)射極電流到門極電路，使ETO具有自關(guān)斷能力和快速的開關(guān)速度（μs級）。目前SiC p-GTO在2×1014/cm2摻雜濃度下的耗盡層厚度為120 μm，單位面積的電阻為4.8 mΩ/cm2，電流密度可達600~700 A/cm2，現(xiàn)有單芯片的有效面積為0.521 cm2。在室溫條件下，圖7（b）所示的GTO開關(guān)電流可達上百A，通過數(shù)十個此類ETO并聯(lián)，完全可以應用于電力系統(tǒng)需要數(shù)kA的短路關(guān)斷電流能力的場合。

圖7　基于15 kV SiC GTO的ETO及GTO樣品Fig.7　ETO based on 15 kV SiC GTO and prototype of GTO

4.1第2代FID

如圖8所示，第2代FID［15］采用2個ETO背靠背連接的電路，每個ETO并聯(lián)對應高壓SiC二極管。ETO不導通時，由其中的一個二極管反向阻斷；ETO導通時，通過另外器件的反向二極管配合實現(xiàn)導通。

圖8　第2代FID拓撲Fig.8　Topology of Gen-2 FID

該電路結(jié)構(gòu)和控制都十分簡單，主要依靠ETO可直接關(guān)斷交直流電流的特性實現(xiàn)，ETO由光纖隔離電路直接驅(qū)動，其優(yōu)點是只需要一個隔離驅(qū)動電源。第2代FID主要的缺點是ETO的導通壓降大，靜態(tài)損耗較大，需要很大的散熱器，并且已有的高壓SiC二極管的浪涌能力較差，電路的過載能力受限，較難使用在更大容量的系統(tǒng)中。

4.2第3代FID

針對功率器件正常運行時靜態(tài)損耗大的缺點。FREEDM中心開發(fā)了第3代FID［16，17］，如圖9所示，其結(jié)構(gòu)主要由并聯(lián)運行的快速斷路器和高壓電力電子功率電路組成。正常運行時，運行電流主要由快速斷路器承擔，高壓功率器件分支（由單個可控SiC ETO和串聯(lián)的Si二極管整流橋組成）由于導通壓降大，幾乎無電流。故障發(fā)生后，輔助MOSFET開關(guān)先關(guān)斷，此時快速斷路器支路的電流被迅速切斷，此后特殊的快速斷路器動作結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)無消弧過程。待快速斷路器達到對應電壓的阻斷能力后，再關(guān)斷高壓電力電子功率器件支路，該支路關(guān)斷產(chǎn)生的高壓將由RC吸收電路和MOV電路消除。目前，該電路的開關(guān)過程可以控制在5 ms以內(nèi)，相對常規(guī)斷路器100 ms的動作時間顯著減少。

圖9　第3代混合型FID拓撲Fig.9　Topology of Gen-3 Hybrid FID

5　其他高壓SiC器件的應用

5.115 kV SiC MOSFET/6.5 kV Si IGBT混合型器件

圖10給出了15 kV SiC MOSFET和6.5 kV SiIGBT混合并聯(lián)型器件原理［18］，其主要是利用MOSFET關(guān)斷無拖尾電流開關(guān)損耗低和IGBT導通壓降低的特點，綜合兩者的優(yōu)勢，優(yōu)化混合器件的特性。

正常運行時，負載電流的主要部分由Si IGBT支路分擔，SiC MOSFET僅承擔少量的電流，其分流值由IGBT的飽和壓降和MOSFET的導通電阻決定。關(guān)斷時刻，首先取消IGBT的驅(qū)動信號，經(jīng)過Td的延時后，再取消MOSFET的驅(qū)動信號，通過多次測試并調(diào)整延遲關(guān)斷時間可以減少混合器件的關(guān)斷損耗。

文獻［19］的測試結(jié)果表明，通過混合并聯(lián)，整個器件的關(guān)斷損耗可以減少50%以上，關(guān)斷損耗和導通損耗的總損耗將減少35%。

圖10　15 kV SiC MOSFET和6.5 kV Si IGBT混合并聯(lián)型器件原理Fig.10　Principle of hybrid parallel device based on 15 kV SiC MOSFET and 6.5 kV Si IGBT

5.26.5 kV SiC JFET與6.5 kV Si IGBT混合型器件

針對SiC器件高溫下氧化柵極技術(shù)不成熟的缺點，United Silicon Carbide公司和Infineon等開發(fā)了無需氧化柵極結(jié)構(gòu)的JFET。常規(guī)JFET是常開器件，需要在門極加負壓時才能完全關(guān)斷器件溝道，因此其使用范圍有一定的局限性，往往會導致直流母線直通短路。針對這一特點，United Silicon Carbide開發(fā)了增強型的JFET［20］，其“0”V柵偏壓時是不導電的器件，只有當柵極電壓大于其閾值電壓時才能出現(xiàn)導電溝道。

該類電路的原理和圖 10相似，僅是將SiC MOSFET改為 SiC JFET，運行控制方式一致。FREEDM實驗結(jié)果表明混合器件相對Si IGBT，通過調(diào)整延時時間，最大可以減少70%的開關(guān)損耗，但成本大約需要增加50%?？紤]SiC器件未來的發(fā)展趨勢，這部分成本會在未來5年內(nèi)快速降低，并可通過減少損耗來補償。

5.31.2 kV SiC JFET與1.2 kV SiC MOSFET

混合串聯(lián)型器件

常規(guī)JFET是常開器件，通過Cascode結(jié)構(gòu)的應用電路可以實現(xiàn)常關(guān)性器件特性，其開通特性主要由低壓MOSFET特性決定，通過合理選擇低壓MOSFET器件，可以優(yōu)化這個Cascode結(jié)構(gòu)JFET的性能。

圖11是FREEDM開發(fā)的混合串聯(lián)型器件［21］，該器件最底層采用1.2 kV SiC MOSFET，其余器件為1.2 kV SiC JFET。

圖11　串聯(lián)混合型JFET器件Fig.11　Hybrid series JFETs

該SiC MOSFET取代常規(guī)Cascode結(jié)構(gòu)的低壓Si器件，需要承擔分壓，而且，相對Si器件，可以承受更高溫度。使用JFET的優(yōu)勢在于電流反向流動時，JFET門極電壓已自動恢復至“0”V，此時JFET已自然轉(zhuǎn)為導通狀態(tài) （JFET的門極閾值電壓為-15～-6 V），反方向電流僅走JFET的溝道（第三象限運行模式），因此該電路中JFET無需反向續(xù)流二極管。而且，相對反向續(xù)流二極管，此電路反向?qū)ǖ碾妷航岛苄　?/p>

6　結(jié)語

本文簡述了高壓SiC器件在FREEDM中心的應用情況，主要涉及MOSFET、IGBT、ETO和JFET等器件，應用場合主要有SST和FID等FREEDM核心應用領(lǐng)域。實踐結(jié)果表明SiC器件可以顯著簡化電路結(jié)構(gòu)，減小散熱器空間，并通過提升開關(guān)頻率來有效降低無源器件的體積，提高單位功率密度。但是，SiC器件的驅(qū)動技術(shù)和電源隔離技術(shù)還有待提高，否則較高的dv/dt和di/dt將引起驅(qū)動電路干擾，甚至器件的誤觸發(fā)而導致故障。

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High Voltage SiC Devices Applied to FREEDM Systems Center

NI Xijun
（School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

The silicon carbide（SiC）is one of the most mature researched wide bandgap semiconductor material now，therefore，it has been became the research hot spot in the high voltage，high temperature，and high frequency power region.According to the practical productions and applications，in this paper the present research status and applied prospects of these devices is demonstrated in the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management （FREEDM）Systems Center，which maintains close cooperation with the biggest SiC device manufacturer-Cree，Inc.Then the applications of several high voltage SiC devices are emphasized particularly on MOSFET，IGBT，ETO，and JFET，which are applied to solid state transformer and fault isolation device，and so on.At present，F(xiàn)REEDM systems center has developed several generations of SST and FID based on their intrinsic characteristics of these devices.What’s more，it has gained a lot of important research results act as research leader of the high voltage SiC device.

silicon carbide（SiC）；solid state transformer；fault isolation device；three-level neutral point clamp （NPC）；soft switching；DC-DC converter

倪喜軍

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.139

TM46

A

2016-04-18 基金項目：南京工程學院高層次引進人才科研啟動基金資助項目（YKJ201522） Project Supported by the High Level Introduction of Talent Research Start-up Fund of NJIT（YKJ201522）

倪喜軍（1980-），男，通信作者，博士，研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用和寬禁帶器件應用，E-mail：xijunni@163.com。