電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是功率半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，將使功率半導(dǎo)體器件在電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電和用電各個(gè)方面得到更為廣泛的應(yīng)用。柔性電網(wǎng)、柔性變電站這類基于功率半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的領(lǐng)域是電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)，也給電力電子技術(shù)及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。
沒有現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，就沒有現(xiàn)代電力電子裝置及其應(yīng)用;沒有功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用市場需求強(qiáng)勁的推動(dòng)和促進(jìn)，也不會(huì)出現(xiàn)今天功率半導(dǎo)體器件蓬勃發(fā)展的局面。不同的應(yīng)用場合對功率半導(dǎo)體器件的要求不盡相同，對電網(wǎng)應(yīng)用而言，功率半導(dǎo)體器件定制化的開發(fā)可以實(shí)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(jì)50 年代晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)日新月異，并在能源、交通、冶金、軍事、消費(fèi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在電力電子技術(shù)發(fā)展過程中，功率半導(dǎo)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(shù)”，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(lǐng)電力電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了全控器件時(shí)代。
在電網(wǎng)應(yīng)用層面，功率半導(dǎo)體器件主要應(yīng)用于直流輸電、靈活交流輸電(FACTS)、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，為電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步起到了巨大的推進(jìn)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(shè)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?；诎肟仄骷腇ACTS 通常采用高壓、大功率晶閘管， 如靜止無功補(bǔ)償器 (SVC) 和晶閘管控制的串聯(lián)電容器 (TCSC)?；谌仄骷腇ACTS 曾采用過GTO、IGCT、IGBT 和IEGT 等， 近些年基本上都轉(zhuǎn)而采用IGBT。各類光伏/ 風(fēng)電并網(wǎng)換流器、電動(dòng)汽車充電樁等基本都采用IGBT。電網(wǎng)已成為功率半導(dǎo)體器件繼軌道交通之后又一主要細(xì)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(shù)的應(yīng)用，電網(wǎng)將具有一些柔性。電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是功率半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，將使功率半導(dǎo)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(yīng)用，整個(gè)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(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)，而柔性電網(wǎng)使用光伏加換流器、風(fēng)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(jī)， 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(guān)，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(dòng)機(jī)等電阻性、電感性負(fù)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(dòng)汽車充電、數(shù)碼設(shè)備、變頻空調(diào)、無刷直流電機(jī)。
從材料特性上講，過去的銅鐵電網(wǎng)將變?yōu)榘雽?dǎo)體電網(wǎng)?？梢?，功率半導(dǎo)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(jí)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(gè)電網(wǎng)向半導(dǎo)體化發(fā)展過程中對功率半導(dǎo)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(jìn)一步提升，至少需要研制出4500V/3000A 和4500V/5000A 的IGBT。在器件技術(shù)方面，IGBT 和FRD 仍有較大優(yōu)化空間和潛力，針對應(yīng)用的定制化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，如低通態(tài)壓降IGBT、高短路關(guān)斷能力IGBT 等。柔性電網(wǎng)對功率半導(dǎo)體器件的特性有其個(gè)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(shí)短路，以使相應(yīng)電路保持通路;高可靠性，以確保電網(wǎng)的可靠運(yùn)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(guān)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(gòu)成，可提高電網(wǎng)潮流調(diào)控能力，能實(shí)現(xiàn)多種新能源柔性接入、儲(chǔ)能設(shè)備直接接入、直流負(fù)荷直供和多個(gè)柔性變電站之間互聯(lián)，可作為交直流電網(wǎng)的樞紐，在實(shí)現(xiàn)交直流電網(wǎng)混聯(lián)及交直流負(fù)荷混供的同時(shí)，可快速切除故障與自愈。
柔性變電站對功率器件的個(gè)性化需求包括：應(yīng)是高電壓、大功率，以減少換流器模塊數(shù)量，簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低控制復(fù)雜度，減少占地、體積和重量;應(yīng)是高可靠性的，以確保電網(wǎng)可靠運(yùn)行;應(yīng)是低通態(tài)壓降、開關(guān)損耗小的，以降低損耗，減少散熱要求;應(yīng)是高開關(guān)頻率的，以減少體積和可聽噪聲污染;應(yīng)是高結(jié)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(dǎo)體器件的發(fā)展
在特高壓直流輸電技術(shù)需求的驅(qū)動(dòng)下，我國以晶閘管為代表的半控型器件技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。
國內(nèi)，研究機(jī)構(gòu)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(dú)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(yīng)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(lǐng)者的地位，其器件技術(shù)水平比國內(nèi)要領(lǐng)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(dǎo)體研發(fā)制造企業(yè)只在一些單項(xiàng)技術(shù)方面取得了突破，尚未實(shí)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(jié)溫等。20 世紀(jì)90 年代，美國、日本和德國就開始對SiC 材料和功率器件相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(shí)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(yīng)用方面，CREE、POWEREX 和GE 聯(lián)合研制一臺(tái)基于SiC-MOSFET 的容量為1MVA、開關(guān)頻率達(dá)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(jié)構(gòu)的全SiC 功率模塊，3.3kV/600A 混合模塊樣品;SiC 器件高壓應(yīng)用方面，已研制出基于SiC MOSFET 的200kVA 換流器樣機(jī)。
在SiC 器件領(lǐng)域，國外大公司仍是行業(yè)主導(dǎo)，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(shù)鏈條中的個(gè)別點(diǎn)上進(jìn)行攻關(guān)，總體看綜合實(shí)力不強(qiáng)，在材料和外延方面尚存在短板，與國際先進(jìn)水平還有一定差距。
發(fā)展建議
器件技術(shù)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(fèi)、能源、交通和軍事領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求。對于SiC 器件， 由于中低壓器件的應(yīng)用市場非常大，且與SiC 技術(shù)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已處于國際領(lǐng)先水平，急需通過在新技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)由跟隨到引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變，而柔性電網(wǎng)、柔性變電站這類基于功率半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的領(lǐng)域是電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)。這給電力電子技術(shù)及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用提供了難得的發(fā)展機(jī)遇， 需要針對電網(wǎng)的具體應(yīng)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(shè)計(jì)以提高研發(fā)的針對性。明確該具體應(yīng)用方向?qū)β拾雽?dǎo)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(shè)計(jì)器件，統(tǒng)籌兼顧，協(xié)同優(yōu)化芯片、封裝、驅(qū)動(dòng)、組件的各個(gè)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(dǎo)體器件的迫切需求最終達(dá)到在高壓大功率器件方面率先突破，實(shí)現(xiàn)彎道超車。
技術(shù)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(dǎo)體器件研制單位較多，各有所長，卻又各有短板，綜合實(shí)力不強(qiáng)， 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(shí)力。只有通過體制機(jī)制創(chuàng)新，形成合作互補(bǔ)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(qū)動(dòng)，通過專業(yè)化分工合作，才有可能在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)趕超。走專業(yè)化分工合作的道路，需要積極探索合作機(jī)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(jī)制問題，價(jià)值貢獻(xiàn)的確定和傳導(dǎo)問題，最終達(dá)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
