碳化硅功率半导体在中压配电网中的应用

2024-11-06 18:04   北京  
摘 要:新型碳化硅功率半导体器件在近些年来发展迅速,获得越来越多的关注。相较于传统硅器件,碳化硅器件由于材料属性在电压等级、开关速度等方面都有很大优势,将其应用于中压配电网中可以提升变换器效率和功率密度等性能,实现更多的并网功能。但由于碳化硅器件开关速度更快,在使用碳化硅器件的过程中,也会带来很大的挑战。对此,介绍了碳化硅器件的发展以及现状,总结了基于碳化硅器件的中压配电网电力电子装置的潜在优势;分析了碳化硅器件应用过程中,在封装、门极驱动、电磁干扰等方面的挑战以及技术现状,最后介绍了目前碳化硅器件应用于中压配电网的实际项目。

电力电子技术已经广泛应用于中压系统(电压等级为交流电压1~35 kV),包括中压电动机驱动和中压配电网并网变换器。其中,中压电动机驱动(电压等级为2.3~13.8 kV,功率至几十兆瓦)大量应用于风机、水泵、压缩机、挤压机、搅拌机、矿井、舰船推进系统等。而在中压配电网中,电力电子装置的应用更是越来越广泛。

现有电力电子装置大多使用传统硅基功率半导体器件,碳化硅功率器件作为一种新型的宽禁带功率半导体器件,在近些年飞速发展。相较于传统硅基功率器件,碳化硅器件在器件特性方面拥有更大的优势,包括更高的耐压能力、更小的导通电阻和开关损耗、更高的开关频率以及更高的工作结温。合理利用这些器件特性,可以使得应用于中压配电网中的电力电子装置获得更好的特性。

碳化硅器件的开关速度比传统硅器件更快,dv/dt从传统硅器件的3 V/ns增加到50 V/ns,因此也带来了更高的电应力和更大的电磁干扰,而这给其应用带来了更大的挑战,包括封装技术、门极驱动、抗电磁干扰设计等。


与硅器件相比,碳化硅器件在电压等级、器件损耗、开关频率等方面更有器件特性方面的优势。在配电网应用中,使用碳化硅功率半导体,可以带来变换器层面(体积、重量、效率等)和电网应用层面(系统稳定性等)的优势。


碳化硅器件的高开关速度会带来电磁干扰、短时间尺度参数、绝缘、保护等方面的挑战。碳化硅的应用技术(子元件层面、变换器层面、电网层面)近些年得到快速发展,可以有效支撑碳化硅在配电网中的应用。

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