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SiC器件在电能质量控制产品中的应用

发布时间： 2023-12-23 来源：交通运输

功率器件的性能指标紧密关联。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 器件的性能指标可完全满足此要求。

近日，第九届国际第三代（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，“功率模块电源应用峰会”上，山东华天科技集团股份有限公司工程师、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%、大幅度降低损耗，来提升功率密度、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。如功率电路采取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，大幅度减少器件数量，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加高、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明显提高，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，保障设备安全运作。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，可明显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，除可明显提高产品的响应速度、降低损耗、提高功率密度等优点外，由于充分的发挥了SiC器件的高速特性，进一步提升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；如何进一步提升开关频率，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。

报告对这样一些问题进行了剖析，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。报告说明，预计在未来几年，随技术的进步和成本的降低，SIC的市场占有率和应用场景范围都将大幅度扩展。