SiC器件在电能质量控制产品中的应用

 

电能质量控制产品的性能指标不仅与控制系统的性能指标及控制算法密不可分，也与电力电子功率器件的性能指标密切相关。电力电子器件性能指标直接影响电能质量控制产品变流器的损耗、功率密度、响应时间、滤波次数、谐波滤除率等指标。一款开关频率高、损耗低、耐压高的电力电子器件，对于电能质量控制关键产品性能的提升、可靠性的提高至关重要。而SiC 器件的性能指标完全可以满足此要求。

 

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）在厦门国际会议中心召开。期间，“功率模块与电源应用峰会”上，山东华天科技集团股份有限公司总工程师、山东华天电气有限公司副董事长迟恩先做了“SiC器件在电能质量控制产品中的应用”的主题报告，分享了基于SiC器件的电能质量控制产品、SiC器件的应用心得及拓展应用。

与硅基半导体相比，第三代半导体具有更大漂移速率、更高热导率、更高击穿场强等特点；碳化硅的击穿场强是硅的10倍、耐高温能力是硅的2倍、高频能力是硅的2倍；更适应用于高功率、高频、高温、高电压等恶劣条件的功率半导体器件；可以缩小模块体积大约50%、大幅降低损耗，从而提高功率密度、降低综合成本。

报告首先分享了SiC器件在电能质量控制产品辅助电源上的应用。采用Sic器件，可以有效简化电路拓扑，减少器件数量。如功率电路采用单管反激代替双管反激电路拓扑，驱动电路无需再区分高边和低边电路，大幅减少器件数量，简化电路拓扑；由于SiC 器件具有更高的电压等级，因此可有效提升系统安全裕度；由于SiC器件的高速度、低损耗等特性，可使辅助电源效率更高、发热量更少、体积更小、系统成本更低。

接下来，分享了基于SiC器件的有源电力滤波器、动态电压恢复器（DVR）和电能质量优化与储能一体化装置三款产品。有源电力滤波器是电能质量控制的关键产品，集谐波治理、无功补偿、三相不平衡校正于一体。采用SiC器件后，其谐波滤除率、谐波滤除次数、整机损耗、输出纹波、功率密度等各项指标显著提高，相比IGBT版本的产品，体积减少34.8%，率密度提高50%，下图是基于IGBT和基于SiC器件的有源电力滤波器关键指标对比；动态电压恢复器（DVR）是电压闪变治理的关键产品，该产品采用全控型电力电子器件，当系统电压发生暂降或者暂升时，DVR快速把超级电容存储的电能逆变成交流电给设备供电，保证设备的连续运行，不造成生产中断，保障设备安全运行。基于SiC器件与基于IGBT的DVR相比，具有更高的响应速度、更低的损耗，其最快响应时间可达1mS，可显著降低电压闪变对负载的影响。

第三款产品为电能质量优化与储能一体化装置，该产品将电能质量优化与储能相结合， 既能阻挡外网污染，又能防止负载污染电网，并兼顾储能，提高新能源发电消纳能力，该产品采用谐振抑制专利技术，可有效抑制光伏逆变器大量接入导致的谐振现象。采用SiC器件后，除可显著提高产品的响应速度、降低损耗、提高功率密度等优点外，由于充分发挥了SiC器件的高速特性，进一步提高了产品的谐振抑制能力，为高比例新能源电力系统安全稳定运行保驾护航。

SiC器件具有高开关频率、高耐压、耐高温、低损耗等诸多优势，但在SiC器件应用方面，仍然面临诸多挑战：如何避免米勒电容引起的寄生导通效应；如何进一步提高开关频率，降低开关与导通损耗；如何准确的测量栅源电压驱动波形；如何可靠的保护等等。

报告对这些问题进行了剖析，并提出来相应的解决方案，报告特别强调，SiC器件的应用，驱动设计十分重要，尤其应注意合理布线。报告最后对SiC的应用进行了展望，除以上三款产品外，公司也在试验电源、新能源汽车逆变器进行了SiC器件应用的探索。报告指出，预计在未来几年，随着技术的进步和成本的降低，SIC的市场份额和应用范围都将大幅度扩展。

审核编辑：刘清