试论碳化硅电力电子器件在电力系统的应用

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摘要：随着科学技术的快速发展，半导体器件生产和制作工艺发展十分迅速。随着碳化硅生产成本的降低和性能的大幅度提升其在电力系统中得到了广泛的应用。本文将对碳化硅电力电子器件在电力系统中的应用进行介绍和分析。
关键词：碳化硅 电力电子器件 探讨 分析
中图分类号：TM1-4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0088-02
1 电力系统电子器件发展概述
当前电力系统发展十分迅速，新型电力电子器件不断涌现，性能大幅度的提升，有效的保证了电力系统工作和运行的稳定性和高效性。电力电子器件起初是以晶体管起步的。在上世纪70年代后期全控型器件不断发展，在80年代后半个时期IGBT复合器件被研发出来。随着半导体技术和材料科学的持续发展，功率集成电路在电力系统中的到了广泛的应用。电力电子器件能够将全控型的电子器件和其他功能电路如驱动电路以及控制电路等集成形成智能化程度较高的芯片，实现器件与电路的集成，强电能够与弱点集成，信息流和功率流的集成。集成电路是机电一体化的基础单元，电力电子器件在电力系统中的应用是电力技术较为重要的部分。其应用技术可称变流技术，这种技术主要用器件组成各种功能的电力电子电路并能够对功能电路进行准确、高效的控制。当前碳化硅电力电子器件在电力系统中得到了广泛的应用，其优良的性能和特性促使这种器件的种类和应用范围都在不断扩大。
2 电力系统中碳化硅电力电子器件的应用
2.1 碳化硅电力电子器件探析
大功率半导体器件在近年来得到了快速的发展，促使现代电力系统中高性能电力电子装置得到广泛的应用。其主要有变流、变频的特点，响应性能较为快速，能够利用小功率来控制大功率。碳化硅由于其优良的物理特性和电特性，在电力系统中得到了广泛的应用。碳化硅属于新研发的宽禁带的半导体材料，这种器件的优势在于它的高压高温的特性。碳化硅电力电子器件能够突破硅基半导体器件由于电压和温度的限制会造成电力系统有一定的局限性。当前碳化硅材料研发不断发展，新型碳化硅电力电子器件不断涌现，低压领域和高压领域的碳化硅功率器件不断产业化，在电力系统中不断替代原有器件。碳化硅电力电子器件的研发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统高压领域中得到更多的应用，其发展能够对电力系统变革产生较为深远的影响。未来电动汽车电机的控制以及蓄电池充放电均需高性能电力电子器件来实现，在飞机、船舶以及高层建筑中的电梯都离不开碳化硅电力电子器件。碳化硅电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。其一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。按照驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型，通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型，仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
2.2 电力系统中碳化硅电力电子器件的应用
随着科技的快速发展，在电力系统中碳化硅电力电子器件在下面几个方面得到了广泛的应用：
（1）固态变压器。近年来分布式发电系统和智能电网技术不断发展，碳化硅基于其很好的性能在当前的固态变压器中具有广泛的应用。其利用宽禁带材料能够有效提高器件工作适应温度。6H- SiC、4H-SiC禁带宽度分别为3.0eV、3.25eV，这两种材料对应的本征温度为8000摄氏度以上，也就是意味着即使禁带最窄的3c-sic，它的禁带宽度也能够在2.3eV左右。利用碳化硅材料制造的电力系统器件，它的工作温度最高能够超过6000摄氏度。电力系统中功率开关器件反向的电压承受力和它的漂移区以及基区长度、电阻率具有密切的关系，单极性功率的开关器件通态比电阻将直接受漂移区长度、电阻率的影响。由以上可知与其制造材料击穿电场强度的立方成反比。在电力系统中技术人员利用击穿电场强度较高的碳化硅材料制作的高压功率开关控制器，它的电阻率不用选择过高，碳化硅电力电子器件漂移区或基区也不需要太长。通过这种工艺不但器件通态与电阻相比会有较明显的降低，其工作频率将有大幅度的提高。固态变压器是电力电子变流器和高压变压器中能量转换的关键装置。固态变压器相较于传统变压器具有体积较小、供电质量较高、供电效率比较高、工作性能稳定的特点。固态变压器在电力系统中应用将有效解决当前传统变压器所存在的问题。碳化硅电力电子器件在固态变压器中的应用将能够简化其结构和提高其工作性能。
（2）柔性交流输电系统。柔性交流输电系统是当前交流电网比较先进的技术之一。碳化硅电力电子器件在其中应用将能够科学、高效的实现系统电压、功率和输电品质的控制，并能够有效降低输电的损耗。碳化硅器件的击穿电场强度为普通硅材料的8倍，这种器件的电子饱和漂移速度是普通硅材料的2倍，这种特性更有利于提高碳化硅器件的工作频率，故碳化硅单极性功率开关不仅通态比普通电阻低，一般它的工作频率也会比普通硅材料器件高到10倍以上。碳化硅电力电子器件由于其热导率较高故能够在高温下长时间、稳定性的工作。另外碳化硅材料为当前唯一能够采用热氧化法来生成高性能的本体氧化物化合物的半导体材料。这种特性使其可以和普通硅材料一样去制造MOSFBT、IGBT这种含有MOs结构的电力系统电力电子器件。碳化硅材料在常压下生成熔体较为困难，当其加热到2400摄氏度时就会升华，故其像普通晶体通过籽晶在熔体中缓慢生长制备单晶是十分困难甚至是不可能的。这种工艺难度要比锗、硅、砷化镓等常见常用的半导体材料制备更为困难和复杂。碳化硅材料功率器件自身具有优良的耐压特性，随着碳化硅器件研发和制造技术的提高，其在FACTS技术中将会受到越来越多的重视。
（3）静止无功补偿器件。在电力系统中静止无功补偿器主要用于潮流控制和无功补偿，碳化硅电力电子器件的应该有效提高其系统的稳定性和响应速度，掺杂是当前半导体器件制备最基本的工艺。由于杂质在碳化硅器件中扩散系数与在SiO2中一样较低，在适于碳化硅有效杂质扩散温度条件下，SiO2将失去对杂质掩蔽的作用，并且碳化硅材料自身在同样高温条件下性能不稳定，故其不宜采用扩散掺杂，需利用离子注入以及材料制备过程中进行伴随掺杂来达到制备碳化硅器件的条件。碳化硅晶片制备技术可以分为物理法和化学合成方法。物理法主要包括机械粉碎法和结晶法；化学合成法主要包括化学气相沉积法以及碳热还原法。化学气相沉积法和碳化硅晶须的制备工艺较为相同，但其工艺复杂，价格昂贵，目前研究和应用较少；碳热还原法是利用碳和SiO2为原材料，利用催化剂将原材料加热至合适的温度而合成，这种方法是碳化硅晶体制造的主要方法。碳化硅电力电子器件在STATCOM的应用结构能够得到有效简化。由于碳化硅电力电子器件开关频率得到有效的提高，电力系统中电能质量也能够得到有效的提升。在风能、太阳能等洁净、可再生能源并网方面，无变压器STATCOM结构将会得到大力推广和应用。
（4）电力系统的直流输电技术。碳化硅电力电子器件能够促进高压直流的输电技术快速的发展。碳化硅电力电子器件耐压性能良好，这种特性能够有效减少电力系统中需要的器件数量，大大简化直流输电电力系统的结构，并能够有效降低电能传输中的能耗，不断促进高压直流输电技术的发展和进步。
（5）碳化硅晶片在LED固体照明和高频率器件中也得到了广泛的应用，未来手机和笔记本电脑的背景光市场将给碳化硅器件提供广阔的市场空间。由于碳化硅晶体研发、器件制备技术快速发展，未来几年内碳化硅电力电子器件将会在器件的成品率和可靠性得到更大的改善和提高，价格亦会不同程度的下降，从而促使其进入全面应用的阶段，这种有利的条件将极有可能引发未来电力电子技术的一场新的革命。因此碳化硅电力电子器件的研发和利用是现代电力系统中电力电子技术的一次革命性发展。随着碳化硅电力电子器件的不断进步和完善，其在电力系统中的应用亦越来越广泛，所起到的作用也是越来越大。
3 结语
随着现代电力系统的不断完善和发展，其对电力电子器件的性能要求越来越高。碳化硅电力电子器件以其良好的电气性能在电力系统中得到了广泛的应用。本文通过对碳化硅电力电子器件特点的阐述介绍了其在电力系统中的应用。碳化硅电力电子器件能够有效保证电力系统的工作性能，保证电力系统运行正常，稳定社会秩序。
参考文献
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