孫凱 陳彤 張瑜潔
一、碳化硅功率器件的重要性
從工業(yè)革命到現(xiàn)在,能源作為人類生活和工業(yè)水平進(jìn)步的基礎(chǔ),有著極其重要的地位。當(dāng)前人類獲取使用的能源多數(shù)是不可再生能源,但隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工業(yè)水平提高,能源的需求量也將越來越大,單一使用化石能源顯然會(huì)越來越難以滿足目前世界工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。現(xiàn)在世界上許多國(guó)家都在倡導(dǎo)可再生能源的利用,其中太陽(yáng)能呼聲較高。太陽(yáng)能開發(fā)方便,不需要運(yùn)輸和開采;不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān);總量巨大可以說取之不盡、用之不竭。光伏效應(yīng)可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能,這成為利用太陽(yáng)能的一種有效手段。
1992年“世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”通過的《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》等重要文件,著重關(guān)注環(huán)境和發(fā)展,確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。此后,世界各國(guó)都更加注重利用開發(fā)太陽(yáng)能。中國(guó)政府對(duì)此也高度重視,制定了《中國(guó)21世紀(jì)議程》和《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》等文件,進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目,堅(jiān)定了大力發(fā)展太陽(yáng)能的決心,同時(shí)也刺激了國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展。
近幾十年來,全球范圍內(nèi)的光伏電池產(chǎn)量逐年增加,年均增長(zhǎng)率超過50%。尤其進(jìn)入21世紀(jì)后,這一增速更快。我國(guó)也緊跟潮流,2007年之后,我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度遠(yuǎn)超全球平均水平。2010年,全球共生產(chǎn)光伏電池容量為1 600萬kW,其中我國(guó)占60%以上。同年,全球光伏發(fā)電總裝機(jī)容量接近 4 000萬kW,大部分應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng);其中德國(guó)作為發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊2010年新增裝機(jī)容量占全球裝機(jī)總量的近20%。隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,各項(xiàng)技術(shù)日漸成熟,使得各部分的成本都得以降低,光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性大幅提高。
為了實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電,其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是逆變器,用于將光伏效應(yīng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電,便于并入電網(wǎng)加以利用,因此光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電技術(shù)的核心,逆變器的工作效率很大程度上決定了太陽(yáng)能的利用效率。研究光伏并網(wǎng)逆變器對(duì)于發(fā)展清潔能源、減少環(huán)境污染具有深遠(yuǎn)的意義。
電力半導(dǎo)體器件是光伏并網(wǎng)逆變器的核心部件?,F(xiàn)如今在電氣行業(yè)中使用的各種半導(dǎo)體器件多以硅(Si)材料為基礎(chǔ),已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。Si是一種半導(dǎo)體材料,被廣泛應(yīng)用于各種電子管和集成電路。隨著電力半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)合日益豐富,在一些對(duì)性能要求較高以及工作環(huán)境較惡劣的應(yīng)用場(chǎng)合,硅器件的使用便受到限制,這就要求人們開發(fā)性能更優(yōu)越的半導(dǎo)體器件,于是,碳化硅(SiC)等寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)運(yùn)而生。
二、SiC功率器件的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展
1.SiC功率器件的優(yōu)勢(shì)
SiC半導(dǎo)體作為繼硅和砷化鎵之后的“第3代半導(dǎo)體”,是目前最受人們關(guān)注的功率器件材料。SiC屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料,在功率器件制造方面具有非常廣闊的前景。相比于Si材料,SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)SiC材料的禁帶寬度大
半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定其器件的工作溫度,材料禁帶寬度的值越大,器件的工作溫度也就越高。因此,在高達(dá)600℃的溫度下,SiC器件仍然可以正常工作,而且SiC還具有很好的抗輻射能力。由SiC制成的高溫集成電路可以在一些航空設(shè)備、核能儀器、衛(wèi)星、空間探測(cè)器、地?zé)峋确矫姘l(fā)揮其在高溫方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。(2)SiC材料的臨界擊穿電場(chǎng)高
SiC的臨界擊穿電場(chǎng)約為3MV/cm,這個(gè)值大約為Si器件的10倍、砷化鎵(GaAs)器件的5倍左右。與Si同種類型的功率器件相比,SiC功率半導(dǎo)體器件可以在更高的工作電壓下工作,例如Si肖特基二極管的擊穿電壓一般為100~200V,而S i C肖特基二極管的擊穿電壓可以達(dá)到1 000~2 000V。因此,SiC臨界擊穿電場(chǎng)高的特性使得其實(shí)現(xiàn)輸變電技術(shù)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的耐高壓的要求變得更加容易。
(3)SiC功率器件的比導(dǎo)通電阻小
功率半導(dǎo)體器件的比導(dǎo)通電阻跟材料擊穿電場(chǎng)的立方成反比。由于SiC的擊穿電場(chǎng)是Si的10倍左右,所以SiC器件比Si器件的比導(dǎo)通電阻要小得多。也就是說,在擊穿電壓相同的情況下,SiC器件的比導(dǎo)通電阻值只有Si器件的百分之一。SiC器件較低的比導(dǎo)通電阻可以使系統(tǒng)的損耗降低,從而使系統(tǒng)效率得到提高。(4)SiC材料的熱導(dǎo)率高
SiC材料的熱導(dǎo)率大約為4.9W/(cm·K),這個(gè)值比Si材料和GaAs材料分別高大約3~10倍。鑒于SiC的這個(gè)優(yōu)勢(shì),如果集成電路采用SiC材料來制作,就可以使散熱系統(tǒng)得到極大的減少,也就可以使裝置的質(zhì)量以及體積得到有效地減小,進(jìn)而使系統(tǒng)的集成度得以提高,并且在高溫以及高輻射的環(huán)境中使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到很好的改善。比如SiC場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)在500℃下加壓測(cè)試,成功工作2 000h,器件性能并沒有發(fā)生明顯改變,表現(xiàn)出器件良好的可靠性。SiC器件高溫傳感器,探測(cè)器和電子控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于各種高溫環(huán)境,例如石油勘探、宇宙飛船、鉆井等,克服了傳統(tǒng)材料在高溫應(yīng)用方面的缺陷。
(5)電子飽和漂移速度高
SiC材料的電子飽和漂移速度是Si材料的2.5倍左右,因此具有開關(guān)速度快和電流密度高的優(yōu)勢(shì),因此特別適合高頻和大功率方面的應(yīng)用。
由于SiC功率器件具有高擊穿電壓,高工作頻率且耐高溫等優(yōu)勢(shì),同時(shí)比導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗也較小,所以采用SiC功率器件可以很大程度地降低系統(tǒng)的功耗以及減小系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。特別是在高頻、高溫和大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域,SiC電力電子器件優(yōu)異的電氣性能使其具有Si半導(dǎo)體器件難以比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和潛力。
因此,在相同的功率等級(jí)下,使用SiC器件來代替Si器件可以在大幅提高光伏并網(wǎng)逆變器變換效率的同時(shí),還可以通過提高光伏并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率,減小濾波元件的體積;并通過提高光伏并網(wǎng)逆變器的高溫運(yùn)行能力,降低散熱設(shè)計(jì)的難度和成本。
2.SiC功率器件的發(fā)展
早在20世紀(jì)90年代,就有學(xué)者開始對(duì)SiC功率器件進(jìn)行研發(fā),在SiC發(fā)展的這20年中,主要的研究方向是SiC整流器。其中,發(fā)展速度最快的是SiC肖特基二極管(SBD)的研發(fā),由于SiC SBD的反向恢復(fù)時(shí)間比Si SBD小得多,所以SiC SBD的反向恢復(fù)現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。2001年,英飛凌(Infineon)公司推出首款SiC SBD,隨后CREE公司和Microsemi公司也相繼推出了SiC SBD產(chǎn)品,預(yù)示著SiC功率器件開始進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。2003年,美國(guó)Rutgers大學(xué)研制出擊穿電壓為10.8kV、導(dǎo)通電阻為97mΩ·cm2的SiC SBD。2008年,東芝公司報(bào)道了一種Super-SBD,其特性接近4H-SiC材料極限,該器件具有高達(dá)27kV的擊穿電壓以及超低的導(dǎo)通電阻(257mΩ·cm2)。2009年,Infineon公司推出了新一代的SiC SBD產(chǎn)品,最高耐壓為1.2kV,最大電流為20A。2011年,CREE公司也推出了具有相同性能的SiC SBD。同在2011年,國(guó)內(nèi)第一家致力于SiC功率器件研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)——泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技(北京)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“泰科天潤(rùn)”)在北京注冊(cè)成立。泰科天潤(rùn)在北京擁有一座完整的半導(dǎo)體工藝晶圓廠,可在4英寸的SiC晶圓上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造工藝,該公司于2014年起已經(jīng)可以批量生產(chǎn)發(fā)售2-100A、500-1700V范圍內(nèi)的SiC肖特基二極管,器件特性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,其他SiC功率器件,如SiC BJT、SiC JFET等也都在研發(fā)中。目前,SiC SBD的主要應(yīng)用領(lǐng)域有功率因數(shù)校正器、太陽(yáng)能/風(fēng)能逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、輸出整流器、混合電動(dòng)汽車/電動(dòng)車的充電器以及家電應(yīng)用。
與此同時(shí),SiC其他類型的功率器件如JFET、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的制造技術(shù)也在非??焖俚陌l(fā)展,許多國(guó)內(nèi)外的科研院所以及半導(dǎo)體公司都將SiC功率器件作為重點(diǎn)研究對(duì)象,推進(jìn)SiC功率器件實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。目前,一些國(guó)外知名企業(yè),如羅姆、CREE等公司已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)反向電壓為600V和1 200V的功率MOSFET的商業(yè)化。國(guó)外某市場(chǎng)調(diào)查公司預(yù)測(cè)的全球目前SiC器件的市場(chǎng)份額如圖1所示??梢钥闯?,SiC的市場(chǎng)份額在逐年增加,相信隨著SiC的不斷發(fā)展,SiC最終會(huì)成為制作功率器件的主要材料。因此,商業(yè)化逆變器采用SiC功率器件作為其主要的電力電子器件變得越來越容易實(shí)現(xiàn)。
三、光伏逆變器的基本類型
從是否含有隔離變壓器的角度,光伏并網(wǎng)逆變器可以分為隔離型和非隔離型2大類。隔離型逆變器可以根據(jù)工作頻率分為工頻和高頻2種;非隔離型逆變器根據(jù)構(gòu)成不同可以分為單級(jí)和多級(jí)2種。
1.隔離型光伏逆變器
工頻隔離型變壓器是最常見的一種方式,期工作示意圖如圖2所示。太陽(yáng)能板PV產(chǎn)生直流電,經(jīng)過一個(gè)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?,這個(gè)交流電的相位可以經(jīng)過控制,與電網(wǎng)電壓保持一致,但它的幅值與電網(wǎng)電壓幅值不同,所以要經(jīng)過一個(gè)工作頻率為電網(wǎng)電壓工作頻率的變壓器,才能接入電網(wǎng)。但工頻變壓器效率不高,導(dǎo)致整個(gè)逆變器效率較低。
高頻隔離型逆變器工作示意圖如圖3所示。比工頻隔離型逆變器多了一個(gè)DC-DC(只對(duì)直流參數(shù)進(jìn)行變換的電路)環(huán)節(jié),可以提高變壓器的工作頻率而不受電網(wǎng)頻率的限制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是減小了變壓器的體積和質(zhì)量,增加了逆變器的功率密度。
2.非隔離型光伏逆變器
在隔離型光伏逆變器中,電能會(huì)轉(zhuǎn)化為磁能,然后又轉(zhuǎn)化為電能,這個(gè)轉(zhuǎn)化的過程會(huì)產(chǎn)生能量損耗,同時(shí)也增加了逆變器的體積。為了提高光伏逆變系統(tǒng)的效率,可以采用非隔離型的方案,非隔離型根據(jù)電路拓?fù)淇煞譃閱渭?jí)式以及多級(jí)式。在單級(jí)式中,光伏陣列輸出通過逆變器直接并網(wǎng),因此要求光伏陣列的輸出電壓較高,達(dá)到直接并網(wǎng)的電壓等級(jí)。對(duì)于兩級(jí)式光伏逆變系統(tǒng),逆變電路之前有一級(jí)DC-DC電路,通常是Boost電路,以增加對(duì)光伏陣列的輸出電壓范圍的適應(yīng)性。單級(jí)式非隔離型逆變器工作示意圖如圖4所示。將太陽(yáng)能板輸出直接逆變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓,對(duì)逆變器輸出電壓的控制要求較高。
兩級(jí)式非隔離型變壓器工作示意圖如圖5所示。將太陽(yáng)能板的輸出電壓先經(jīng)過一個(gè)DC-DC變換器升壓,經(jīng)過解耦電容后再進(jìn)行逆變,接入電網(wǎng)。解耦電容可以解決輸入輸出功率不匹配的問題。
四、SiC光伏逆變器備受關(guān)注
SiC肖特基二極管現(xiàn)在已經(jīng)在太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)中得到應(yīng)用,歐洲市場(chǎng)尤為多見。由于采用SiC SBD可以使整個(gè)系統(tǒng)的效率提高,所以許多太陽(yáng)能設(shè)備制造商紛紛開始轉(zhuǎn)向這一技術(shù)。太陽(yáng)能面板的功能是將采集來的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為正向直流電壓。再采用升壓轉(zhuǎn)換器,將轉(zhuǎn)化成的直流正電壓升高到一個(gè)恒定直流電壓,這個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器在高頻開關(guān)操作。SiC SBD能消除升壓二極管的開通損耗,從而提高了升壓段的效率。然后,再使用一個(gè)逆變器,將此恒定直流電壓轉(zhuǎn)換為可用的交流電壓,此交流電壓的頻率保持恒定。SiC SBD不僅能消除此段續(xù)流二極管中的二極管開關(guān)損耗,同時(shí)也能降低IGBT開通損耗,從而使逆變器的效率得到顯著提高。如果采用效率更高的系統(tǒng),太陽(yáng)能面板采集的太陽(yáng)能就能更多地轉(zhuǎn)化為可用的電能。采用碳化硅器件,轉(zhuǎn)換器的平均工作效率能從Si器件轉(zhuǎn)換器接近96%的平均工作效率提升至97.5%,可以使逆變器損耗降低25%。這些太陽(yáng)能設(shè)備的使用壽命一般都長(zhǎng)于30年,因此,如果逆變器采用碳化硅器件,就能顯著提高節(jié)能效益。
眾企業(yè)一致認(rèn)為,SiC逆變器受到各方面關(guān)注的原因大致有3個(gè):首先,使用SiC二極管的逆變器,可以使系統(tǒng)的電力損失得到減少。相比于Si二極管,使用SiC二極管可以減少約30%的損失。其次,SiC二極管可以使逆變器的體積和質(zhì)量大大減小。這是由于SiC散熱快,縮小了系統(tǒng)的冷卻機(jī)構(gòu)。利用SiC二極管,可使逆變器的體積和重量減少40%~60%左右。第三,SiC逆變器已在日本市場(chǎng)得到實(shí)際驗(yàn)證。東京地鐵(Tokyo Metro)銀座線的新“01系列車”就采用了SiC逆變器,不僅降低了逆變器的電能損耗,還提高了電能再生性能,從而降低了耗電量。據(jù)報(bào)道,在行駛所用電力中返回到輸電線的通過回收制動(dòng)能量得到的電力所占的比例(再生率)由原來的22.7%提高到了51.0%,其節(jié)能效果已被實(shí)際驗(yàn)證。
五、SiC逆變器開發(fā)實(shí)例
1.英飛凌推出用于光伏逆變器的SiC型JFET
德國(guó)Infineon開發(fā)出了適用于光伏發(fā)電用逆變器的耐壓為1 200V的SiC型JFET“CoolSiC產(chǎn)品群”,并在2012年5月8-10日于德國(guó)舉行的電源技術(shù)展會(huì)“PCIMEurope2012”上宣布投產(chǎn)。新產(chǎn)品的主要用途為光伏發(fā)電的逆變器裝置。如果采用SiC型JFET代替現(xiàn)有逆變器裝置中使用的IGBT,便可以實(shí)現(xiàn)裝置的小型輕量化。這是因?yàn)樾庐a(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)高于IGBT的工作速度,也就是說,即便提高工作頻率,也能降低開關(guān)損耗。因此,電感器以及電容器等被動(dòng)元件可使用小型產(chǎn)品,所以能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)裝置的小型輕量化。
2.日本電裝試制出輸出功率密度高達(dá)60kW/L的SiC逆變器
日本電裝試制出了采用SiC功率元件制成的逆變器。該逆變器的特點(diǎn)是輸出功率密度高達(dá)60kW/L,該公司稱此為“全球最高水平”。該試制品將原來的Si功率器件改為SiC功率器件,同時(shí)改進(jìn)了功率元件內(nèi)部的構(gòu)造以及逆變器模塊內(nèi)的布線,實(shí)現(xiàn)了低電阻化,從而降低了電力損耗,使發(fā)熱量比原產(chǎn)品減少了68%。
3.富士電機(jī)推進(jìn)SiC MOSFET實(shí)用化,首先用于光伏逆變器
富士電機(jī)開始推進(jìn)SiC MOSFET的實(shí)用化。最初打算用于該公司2014年8月開始量產(chǎn)的大型光伏電站用逆變器,該逆變器的輸入電壓為DC1 000V、輸出功率為1 000kW。該公司已經(jīng)推出了SiC二極管產(chǎn)品,在逆變器的升壓電路中采用了配備該SiC二極管和該公司的SiC MOSFET的功率模塊,由此提高了轉(zhuǎn)換效率并實(shí)現(xiàn)了小型化。新款逆變器的轉(zhuǎn)換效率為98.8%,屬于“行業(yè)最高水準(zhǔn)”(富士電機(jī)),該公司以前產(chǎn)品的效率為98.5%。逆變器新產(chǎn)品的尺寸為2 980mm×1 900mm×900mm,體積比原產(chǎn)品小20%。體積減小后,無需分拆即可搬運(yùn)。以前,1 000kW級(jí)的逆變器尺寸較大,一般需要拆開來搬運(yùn),富士電機(jī)稱“此次是業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)1 000kW級(jí)的一體型室內(nèi)機(jī)”。該逆變器配備的SiC功率元件在富士電機(jī)的工廠生產(chǎn),采用的是6英寸的SiC晶圓。
4.田淵電機(jī)在光伏逆變器中采用SiC二極管
田淵電機(jī)是日本首家在光伏逆變器中采用SiC二極管的企業(yè)。該公司的常務(wù)執(zhí)行董事坂本幸隆表示“隨著光伏發(fā)電需求的增加,光伏逆變器的銷量越來越大。量產(chǎn)效果應(yīng)該有助于降低功率半導(dǎo)體的成本”。該公司采用SiC二極管的逆變器通過減少開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,大幅降低了轉(zhuǎn)換損失。雖然目前仍需組合采用IGBT,但今后,通過完全采用SiC,估計(jì)損耗還將減少60%左右。坂本幸隆介紹說,“采用SiC二極管并沒有造成成本大幅上漲,如果能全部使用SiC,成本反而有可能降低”。
5.三菱電機(jī)推出采用SiC的光伏逆變器產(chǎn)品
在可再生能源技術(shù)及產(chǎn)品展會(huì)“PVJapan2014”上,各公司紛紛展示了采用SiC等新一代功率半導(dǎo)體的光伏發(fā)電用逆變器(電源調(diào)整器)。其中,三菱電機(jī)展示了剛剛宣布將于2015年1月上市的產(chǎn)品。該公司表示,“這將是全球首款采用SiC的光伏逆變器產(chǎn)品”。三菱電機(jī)展示的是功率半導(dǎo)體元件全部基于SiC的“全SiCIPM(Intelligent Power Module,智能功率模塊)”電源調(diào)整器產(chǎn)品。支持4.4kW的輸出功率,將直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的轉(zhuǎn)換效率為98.0%。三菱電機(jī)在電源調(diào)整器上采用的全SiC-IPM中只使用一個(gè)逆變器,通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了98.0%的轉(zhuǎn)換效率。三菱電機(jī)表示,該公司預(yù)定2014年11月開始銷售的轉(zhuǎn)換效率為96%的電源調(diào)整器中,支持4.0kW輸出的產(chǎn)品的建議零售價(jià)為34萬日元,這樣看來,“配備全SiC-IPM的產(chǎn)品的價(jià)格并不算太高”。
六、結(jié)語(yǔ)
SiC功率器件憑借其高的阻斷電壓、高工作頻率、高熱導(dǎo)率以及低損耗等優(yōu)勢(shì),可以有效地提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率,降低能耗,減小裝置體積和質(zhì)量。因此,SiC被認(rèn)為是第3代半導(dǎo)體材料中最有發(fā)展前景的新型材料之一,相信隨著SiC成本逐漸降低,工藝以及可靠性的逐步優(yōu)化,SiC功率器件必將會(huì)在光伏逆變器等新能源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。