電力電子技術的發(fā)展，尤其是功率半導體器件的快速發(fā)展，將使功率半導體器件在電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電和用電各個方面得到更為廣泛的應用。柔性電網(wǎng)、柔性變電站這類基于功率半導體器件和電力電子技術的領域是電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重點，也給電力電子技術及功率半導體器件技術在電網(wǎng)的應用提供了難得的發(fā)展機遇。
沒有現(xiàn)代功率半導體器件，就沒有現(xiàn)代電力電子裝置及其應用;沒有功率半導體器件應用市場需求強勁的推動和促進，也不會出現(xiàn)今天功率半導體器件蓬勃發(fā)展的局面。不同的應用場合對功率半導體器件的要求不盡相同，對電網(wǎng)應用而言，功率半導體器件定制化的開發(fā)可以實現(xiàn)新的功能和更好的裝置整體性能。
電網(wǎng)的柔性發(fā)展
自20 世紀50 年代晶閘管問世以來，電力電子技術日新月異，并在能源、交通、冶金、軍事、消費等領域得到廣泛應用。在電力電子技術發(fā)展過程中，功率半導體器件的發(fā)展起著決定性作用。“一代器件決定一代電力電子技術”，晶閘管的問世帶來電力電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，而IGBT 的出現(xiàn)則引領電力電子產(chǎn)業(yè)進入了全控器件時代。
在電網(wǎng)應用層面，功率半導體器件主要應用于直流輸電、靈活交流輸電(FACTS)、新能源發(fā)電等領域，為電網(wǎng)技術的發(fā)展和進步起到了巨大的推進作用。
其中，直流輸電分為基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電 (LCC-HVDC) 和基于電壓源換流器的高壓直流輸電 (VSC-HVDC)。LCC-HVDC 換流器采用高壓、大功率晶閘管，而VSC-HVDC 換流器基本上都采用高壓、大功率IGBT。靈活交流輸電 (FACTS) 設備繁多，功能各異，大致可分為基于半控器件的FACTS 和基于全控器件的FACTS。基于半控器件的FACTS 通常采用高壓、大功率晶閘管， 如靜止無功補償器 (SVC) 和晶閘管控制的串聯(lián)電容器 (TCSC)。基于全控器件的FACTS 曾采用過GTO、IGCT、IGBT 和IEGT 等， 近些年基本上都轉而采用IGBT。各類光伏/ 風電并網(wǎng)換流器、電動汽車充電樁等基本都采用IGBT。電網(wǎng)已成為功率半導體器件繼軌道交通之后又一主要細分市場。
柔性電網(wǎng)
隨著直流輸電/ 柔性直流、靈活交流輸電、分布式電源等技術的應用，電網(wǎng)將具有一些柔性。電力電子技術的發(fā)展，尤其是功率半導體器件的快速發(fā)展，將使功率半導體器件在電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電和用電各方面得到更為廣泛的應用，整個電網(wǎng)朝電力電子化方向加速發(fā)展， 最終從根本上改變電網(wǎng)的形態(tài)和物理性質(zhì)。
從物理特性上講，傳統(tǒng)的剛性電網(wǎng)將變?yōu)槿嵝噪娋W(wǎng)，剛性電網(wǎng)和柔性電網(wǎng)的不同體現(xiàn)在， 發(fā)電中，剛性電網(wǎng)采用水輪機、汽輪機、柴油機，而柔性電網(wǎng)使用光伏加換流器、風力加換流器、燃料電池加換流器;輸電中剛性電網(wǎng)采用不可控交流，而柔性電網(wǎng)采用靈活交流輸電、直流輸電、柔性直流、直流電網(wǎng);變電中剛性電網(wǎng)采用油浸式變壓器、干式變壓器，真空斷路器、SF6 斷路器，電容器、電抗器、調(diào)相機， 無源濾波器，而柔性電網(wǎng)采用電力電子變壓器， 直流斷路器、固態(tài)開關，STATCOM、SVC、CSR、SSSC、TCSC，有源電力濾波器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器;剛性電網(wǎng)可用于白熾燈、電動機等電阻性、電感性負載，柔性電網(wǎng)可用在數(shù)據(jù)中心、電氣化鐵路、變頻調(diào)速、智能家用電器、電動汽車充電、數(shù)碼設備、變頻空調(diào)、無刷直流電機。
從材料特性上講，過去的銅鐵電網(wǎng)將變?yōu)榘雽w電網(wǎng)。可見，功率半導體器件對電網(wǎng)發(fā)展的影響是根本性的、顛覆性的，不僅帶來電力電子裝置的升級換代，而且對電網(wǎng)的柔性化發(fā)展必不可少。毫無疑問，整個電網(wǎng)向半導體化發(fā)展過程中對功率半導體器件需求是巨大的，市場容量非常廣闊。
為滿足FACTS 和HVDC 對大功率的要求， 器件的電壓電流參數(shù)需要進一步提升，至少需要研制出4500V/3000A 和4500V/5000A 的IGBT。在器件技術方面，IGBT 和FRD 仍有較大優(yōu)化空間和潛力，針對應用的定制化設計是一個重要的發(fā)展趨勢，如低通態(tài)壓降IGBT、高短路關斷能力IGBT 等。柔性電網(wǎng)對功率半導體器件的特性有其個性化要求，如希望器件采用壓接型，以獲得大容量和好的散熱性能;低通態(tài)壓降，以提高裝置整體效率;失效時短路，以使相應電路保持通路;高可靠性，以確保電網(wǎng)的可靠運行;高短路電流耐受能力和開斷能力，以承受數(shù)十千安的故障電流并能可靠關斷。
柔性變電站
柔性變電站由電力電子變壓器、固態(tài)斷路器、母聯(lián)柔性控制器等電力電子裝置構成，可提高電網(wǎng)潮流調(diào)控能力，能實現(xiàn)多種新能源柔性接入、儲能設備直接接入、直流負荷直供和多個柔性變電站之間互聯(lián)，可作為交直流電網(wǎng)的樞紐，在實現(xiàn)交直流電網(wǎng)混聯(lián)及交直流負荷混供的同時，可快速切除故障與自愈。
柔性變電站對功率器件的個性化需求包括：應是高電壓、大功率，以減少換流器模塊數(shù)量，簡化拓撲結構，降低控制復雜度，減少占地、體積和重量;應是高可靠性的，以確保電網(wǎng)可靠運行;應是低通態(tài)壓降、開關損耗小的，以降低損耗，減少散熱要求;應是高開關頻率的，以減少體積和可聽噪聲污染;應是高結溫的，以提高可靠性，減少散熱要求。由此看來，10kV/15kV SiC 器件是這類需求定制化優(yōu)先開發(fā)對象。
國內(nèi)外功率半導體器件的發(fā)展
在特高壓直流輸電技術需求的驅動下，我國以晶閘管為代表的半控型器件技術已經(jīng)成熟，水平居世界前列， 6 英寸的晶閘管已廣泛用于高壓直流輸電系統(tǒng)，并打入國際市場，形成了國際競爭力。
硅基IGBT器件
國際上，2500V 以上大功率IGBT 主要供貨商有英飛凌、ABB、三菱和東芝。ABB 致力于器件開發(fā)、裝置研制及工程應用，焊接型IGBT 已有6500V/750A、3300V/1500A 和1700V/3600A 系列; 壓接型IGBT 已有4500V/2000A、4500V/3000A 系列，4500V/2000A 已有工程應用，4500V/3000A 仍處于試用與推廣階段。東芝的壓接型IGBT 采用圓形陶瓷管殼封裝， 主要有4500V/1500A 和4500V/2100A 系列，4500V/1500A 在南澳柔性直流工程有應用。
國內(nèi)，研究機構與國內(nèi)的芯片代工廠合作開發(fā)出3300V~6500V 系列IGBT 和FRD 芯片。有一兩家企業(yè)已獨立開發(fā)出3300V/1200A， 3300V/1500A，4500V/1200A 系列焊接型IGBT 產(chǎn)品并已得到不同程度的批量應用，目前正開發(fā)3300~4500V/2000~3000A 壓接型IGBT。
總體來看，以ABB 為代表的國際大公司在高壓大功率IGBT 方面一直處于引領者的地位，其器件技術水平比國內(nèi)要領先一代左右， 在市場占有方面處于壟斷地位。而國內(nèi)功率半導體研發(fā)制造企業(yè)只在一些單項技術方面取得了突破，尚未實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的整體突破，尚不具備與國外大公司相抗衡的能力。
SiC器件
與傳統(tǒng)硅器件相比，SiC 器件有著更加優(yōu)良的綜合性能，如高電壓、高結溫等。20 世紀90 年代，美國、日本和德國就開始對SiC 材料和功率器件相關技術進行研究，各種SiC 功率器件相繼問世。在SiC 材料方面，SiC 材料微孔問題已得到解決，SiC 襯底材料已由4 英寸逐漸過渡到6 英寸。在SiC 器件方面，國外SiC 中低壓器件已實現(xiàn)產(chǎn)品化，高壓器件還處于樣品研發(fā)與試用階段。CREE 和ROHM 已推出1.2kV/300A 全SiC 模塊產(chǎn)品，三菱公司研發(fā)出1.7kV/1200A 混合模塊和3.3kV/1500A 全SiC 功率模塊樣品。在SiC 器件高壓應用方面，CREE、POWEREX 和GE 聯(lián)合研制一臺基于SiC-MOSFET 的容量為1MVA、開關頻率達20kHz 的單相電力電子變壓器。
國內(nèi)在SiC 材料方面， 已研制出6 英寸SiC 襯底樣品;外延方面，4~6 英寸外延材料已初步形成產(chǎn)品;SiC 器件方面， 已研制出1.2kV/200A 半橋結構的全SiC 功率模塊，3.3kV/600A 混合模塊樣品;SiC 器件高壓應用方面，已研制出基于SiC MOSFET 的200kVA 換流器樣機。
在SiC 器件領域，國外大公司仍是行業(yè)主導，在中低壓中小功率SiC 器件方面已形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，出貨量呈倍增態(tài)勢，正在步入成熟期。國內(nèi)現(xiàn)階段基本以研究為主，集中于SiC 技術鏈條中的個別點上進行攻關，總體看綜合實力不強，在材料和外延方面尚存在短板，與國際先進水平還有一定差距。
發(fā)展建議
器件技術的快速發(fā)展離不開需求的牽引。IGBT 之所以在過去30 年內(nèi)取得了中、高功率電力電子裝置中的統(tǒng)治地位，離不開消費、能源、交通和軍事領域的強勁需求。對于SiC 器件， 由于中低壓器件的應用市場非常大，且與SiC 技術發(fā)展階段相契合，使得國外公司著力于發(fā)展中低壓器件并且實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)電網(wǎng)技術發(fā)展迅速，已處于國際領先水平，急需通過在新技術領域的自主創(chuàng)新實現(xiàn)由跟隨到引領的轉變，而柔性電網(wǎng)、柔性變電站這類基于功率半導體器件和電力電子技術的領域是電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重點。這給電力電子技術及功率半導體器件技術在電網(wǎng)的應用提供了難得的發(fā)展機遇， 需要針對電網(wǎng)的具體應用方向，如直流斷路器用壓接型IGBT 或柔性變電站用中高壓SiC 器件等開展定制化開發(fā)設計以提高研發(fā)的針對性。明確該具體應用方向對功率半導體器件的電氣特性、封裝形式的要求，采用針對性的定制化設計器件，統(tǒng)籌兼顧，協(xié)同優(yōu)化芯片、封裝、驅動、組件的各個參數(shù)，以此提高裝置整體性能。借助國內(nèi)電網(wǎng)發(fā)展對功率半導體器件的迫切需求最終達到在高壓大功率器件方面率先突破，實現(xiàn)彎道超車。
技術的飛速發(fā)展離不開專業(yè)化分工和協(xié)作。與國外相比較，國內(nèi)功率半導體器件研制單位較多，各有所長，卻又各有短板，綜合實力不強， 目前沒有任何一家企業(yè)能夠具備與國外大公司相抗衡的實力。只有通過體制機制創(chuàng)新，形成合作互補的利益共同體，借助國家在政策和研發(fā)資金方面的支持，借助行業(yè)發(fā)展的需求驅動，通過專業(yè)化分工合作，才有可能在這一領域實現(xiàn)趕超。走專業(yè)化分工合作的道路，需要積極探索合作機制，其核心是解決好不同組織之間的利益一致性問題，利益分配機制問題，價值貢獻的確定和傳導問題，最終達到合作多方共贏的局面。
作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院
