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【材料/设备】SiC上场时刻到?能源局局长:着重解决电力芯片“卡脖子”问题

来源:化合物半导体市场    原作者:Rany    

日前,国家能源局局长章建华发布文章《奋力谱写统筹电力发展和安全新篇章》,其中提到,“十四五”以至未来更长一段时期,我国将深入推进碳达峰、碳中和,构建以新能源为主体的新型电力系统,推进电力安全核心技术和关键装备科研攻关,加快芯片模块、特高压直流套管等国产化替代,有效解决“卡脖子”问题

目前我国已建成世界上规模最大的电网,可再生能源装机容量世界上最大,电网形态空前复杂。电网运行面临高比例间歇性、不确定性负荷增多、分布式电源接入、灵活可控、远距离输送等难题,高度灵活性可控性的柔性交直流输电技术已成为支撑高比例新能源电网建设发展的关键技术手段。

电力电子装备是柔性交直流输电技术的核心,其电压高达到数百千伏以上;电流高达到数千安培;传送功率约数十吉瓦,这就迫使内部电力电子器件必须具备高电压、大电流,更小体积和更高效率。

目前大功率电力电子装备采用的大都是硅基器件,硅基器件耐压低、电流密度低、频率低,导致装置体积大、重量大、功率密度较低,大大限制了电力电子装备发展。SiC技术的出现,正好解决了这些棘手问题,用SiC器件替代已有装置中的硅器件,能实现更高的效率、更小的体积以及更好的可靠性,还能带来巨大的系统成本优势。除了替代作用以外,SiC技术同样能用于开发此前硅基器件难以满足要求的全新电力电子装置,例如高频电子电力变压器。

以远海风电为例,柔性直流是远海风电并网的主要技术手段。基于硅器件的换流装备体积和重量大,导致占工程总成本30%的海上换流平台造价非常高,因此远海风电开发经济效益一直较低;但如果采用万伏千安级的SiC器件,换流器体积和重量至少可以缩减一半,从而大大降低平台造价,促进远海风电开发利用。

现阶段SiC SBD/MOSFET已在中低压电力系统领域实现商用,SiC单极器件完成硅基双极器件电压范围覆盖。但在6.5 kV以上高压领域,需要用到的SiC双极器件例如IGBT,目前仍处于研究阶段。

SiC在电力系统中的典型应用
Typical application

直流断路器

电力电子技术应用的发展,促成了柔性输电系统的诞生,能大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平,降低输电损耗。直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一,其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。

由于直流断路器整体电压高,受限硅器件目前电压等级,使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联,在直流断路器中使用高压SiC器件可以大大减少串联子单元数量,是电力行业的重点研究方向。

固态变压器

随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展,固态变压器作为其中的关键技术受到广泛关注。固态变压器(SST)是一种集高频变压器、电力电子转换器和控制电路为一体的新兴技术。它的目标是用“智能”解决方案取代传统的线频率分布变压器。SST技术会影响许多领域的发展,比如:智能电网、牵引系统、可再生能源系统(RESs)等等。

由于受电压、功率等方面的限制,硅基器件在固态变压器应用中不得不采用串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用要求,导致装置的故障率和成本大大增加,制约了固态变压器在智能电网应用的进一步发展。而SiC突破了硅基功率器件电压和温度限制所导致的严重系统局限性,将有利于固态变压器的结构简化及可靠性提升。

静止同步补偿器

静止同步补偿器 (STATCOM)是一种并联型无功补偿的柔性输电装置,它能够发出或吸收无功功率,并且其输出可以变化以控制电力系统中的特定参数。

目前STATCOM多采用GTO、IGBT及IGCT等全控型器件作为开关。如IGCT其耐压可达6.5kV,通断电流可达4000A。但在输电系统中,其电压电流等级仍然偏小,需要依靠多电平拓扑或器件串联,来提高耐压能力。未来随着高压SiC技术研发成功,STATCOM的结构或将大大简化。

SiC在高压领域面临着诸多挑战
Challenges in the high-pressure field

01.需要更低缺陷密度的衬底、外延材料。

大功率器件电压高,电流大,芯片面积非常大,所以对材料要求更高。若芯片面积内出现一个缺陷,整个芯片便失效,没有成品率而言。因此,高压器件要求衬底的缺陷密度越低越好。同时,在外延部分要进行外延缺陷的严格控制。另外,目前市场上缺乏P+衬底,也限制了高压大功率n沟道IGBT器件的产业化。

02.需要新型封装材料和更低寄生参数及高可靠性的封装技术。

SiC的终端场强约为Si的3倍,芯片终端尺寸有非常大的差异,传统的灌封材料硅凝胶等材料无法满足SiC封装要求,需要有开发新的高绝缘灌封材料。另一方面,SiC频率要求较高,封装寄生参数(电感、电容、电阻)应尽可能低并保持一致;且SiC模块尺寸小,芯片热应力集中,需要更为先进的散热工艺。

03.超高压器件形式仍不明确。

对于10kV以上超高压领域,目前业界一种方案是采用IGBT、GTO等具有明显理论优势的双极器件,但因其多层材料外延生长难度大,载流子寿命过低,难以充分发挥双极效应。另一种方案则是采用超结或者半超结的MOSFET进行相应导通电阻优化。从现阶段来看,具体采用何种方案仍需要进一步研究验证。

结语

能源革命促进了功率半导体在电力系统中的广泛应用,从根本上改变了电网形态。而碳中主题下的终端设备节能提效策略,进一步刺激了功率半导体的升级换代。SiC器件因其耐高温、高压、高频的特点,已在中低压电网场景得到了广泛应用。而在高压电力场景,SiC仍面临着诸多困难,需要产业链上下游共同努力。

封面图片来源:拍信网