SiC等功率器件撐起3000億特高壓建設(shè)

新能源是支撐國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，隨著"碳達(dá)峰"和"碳中和"目標(biāo)的提出，中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展將再次提速。但新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題是發(fā)電與用電區(qū)域不均衡，風(fēng)電、太陽(yáng)能和水電等可再生能源主要集中在西部和西北部，用電則主要集中在中東部。并且風(fēng)電和太陽(yáng)能（光伏）等發(fā)電方式波動(dòng)性較大，在新能源布局較多的西北部地區(qū)，由于用電負(fù)荷低于發(fā)電量，造成了較高比例的"棄風(fēng)"、"棄光"現(xiàn)象。

將大規(guī)模波動(dòng)性新能源發(fā)電接入電網(wǎng)，一方面要提高儲(chǔ)能技術(shù)，另一方面也要改善輸配電狀況，"西電東送"是解決能源分布不均的重要途徑，而"西電東送"的實(shí)現(xiàn)則離不開特高壓技術(shù)。

特高壓具有輸電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、傳輸損耗低、占地少、經(jīng)濟(jì)性明顯等特點(diǎn)。"十四五"期間，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)特高壓線路"24交14直"，涉及線路3萬(wàn)余公里，變電換流容量3.4億千伏安，總投資3,800億元。2022年，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)再開工建設(shè)"四交四直"8項(xiàng)特高壓工程，總投資超過1,500億元，特高壓建設(shè)迎來(lái)新一輪高潮，也拉動(dòng)了相應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈的成長(zhǎng)。

• 圖1 ： 特高壓輸電示意圖* （圖源：中商產(chǎn)業(yè)研究院）

本文我們將重點(diǎn)討論特高壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及應(yīng)用于特高壓系統(tǒng)的功率器件有哪些，并為大家推薦幾款貿(mào)澤電子平臺(tái)在售的、可用于特高壓系統(tǒng)的功率器件。

特高壓輸電的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

輸電電壓按等級(jí)可以分為低壓、高壓、超高壓和特高壓幾種，低壓通常是220V和380V，也就是家用和一般工業(yè)用電的電壓;高壓指的是電壓等級(jí)在10KV-220KV，城市高壓電纜一般埋在地下，野外則是架在鐵塔上為主;超高壓范圍在330KV-750KV之間，通常是水力、火力發(fā)電等輸送的電壓;特高壓通常是指±1,000KV及以上交流和±800KV及以上的直流輸電。

如圖1所示，特高壓既有交流又有直流模式，具體哪種模式好，目前產(chǎn)業(yè)界尚無(wú)定論。交流模式的優(yōu)勢(shì)在于能夠和現(xiàn)階段的電網(wǎng)系統(tǒng)直接接入，直流模式的優(yōu)勢(shì)則在于損耗小，傳輸距離遠(yuǎn)，抗故障能力強(qiáng)，同樣電壓等級(jí)能傳輸更大功率，不過直流模式和當(dāng)前的交流電網(wǎng)系統(tǒng)在融合時(shí)，需要額外增加換流系統(tǒng)。當(dāng)然，無(wú)論是交流還是直流模式，與高壓、超高壓輸電相比，特高壓的優(yōu)勢(shì)都是顯著的。

首先，特高壓傳輸效率高

1,000KV特高壓交流輸電線路輸送功率約為500KV輸電線路的5倍;±1,100KV特高壓直流輸電能力是±500KV輸電線路的4倍。

其次，特高壓輸電距離遠(yuǎn)，線路損耗低

輸送相同功率時(shí)，1,000KV交流特高壓和±1100KV直流特高壓的輸電距離分別是500KV輸電線路的4倍和5倍，而線路損耗只有500KV線路的四分之一。

第三，節(jié)約用地

在輸送功率相同的情況下，與500KV超高壓輸電線路相比，采用1,000KV線路輸電單位容量線路走廊占地減少30%，可節(jié)省60%的土地資源。

當(dāng)然，特高壓作為新型電力系統(tǒng)的核心技術(shù)，在具體實(shí)施的過程中也面臨著很多挑戰(zhàn)。特高壓系統(tǒng)的柔性便是一個(gè)挑戰(zhàn)，再回頭看圖1，并且我們開篇也提到了，新能源發(fā)電是特高壓系統(tǒng)的重要供電源之一，新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性需要特高壓系統(tǒng)具備智能、柔性的調(diào)節(jié)能力；特高壓系統(tǒng)帶來(lái)的另一個(gè)典型挑戰(zhàn)是系統(tǒng)檢修，對(duì)于人類巡檢員來(lái)說(shuō)，特高壓系統(tǒng)檢修被定義為"終極挑戰(zhàn)"，非常危險(xiǎn)，并且很多新能源發(fā)電設(shè)備地處偏遠(yuǎn)，進(jìn)一步增加了巡檢的難度。

特高壓生態(tài)中的功率器件

下面，我們通過直流特高壓輸電系統(tǒng)具體看一下，整個(gè)生態(tài)中會(huì)用到哪些功率器件。

直流輸電核心器件主要由換流站（換流閥）和功率半導(dǎo)體（晶閘管/IGBT）組成。換流閥是直流輸電的核心，價(jià)值量集中、技術(shù)壁壘高。換流閥中的功率半導(dǎo)體組件是換流閥中價(jià)值量占比最高的部分，由大量晶閘管、IGBT組成。許繼電氣在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，特高壓直流項(xiàng)目中，換流閥占整個(gè)建設(shè)成本的比例約為10%，占電力設(shè)備成本的比重約為30%，而IGBT則占據(jù)了柔性直流換流閥成本的近三分之一，常規(guī)直流換流閥采用晶閘管比較多，相對(duì)便宜一些。

隨著電力系統(tǒng)的電力電子柔性化進(jìn)程加快，焊接型IGBT模塊在容量、效率、電路拓?fù)浜涂煽啃缘确矫娑茧y以滿足應(yīng)用需求，而壓接型IGBT作為一種容量更大、更易串聯(lián)應(yīng)用的新型封裝形式，是特高壓柔性直流輸配電技術(shù)的關(guān)鍵核心器件。

為了克服特高壓系統(tǒng)巡檢難題，5G+特高壓深度融合，通過一種專門為特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的5G基站，承載密集通道智能運(yùn)檢業(yè)務(wù)的電力5G虛擬專網(wǎng)，幫助完成特高壓系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)巡檢、高精度定位、智能AI操作等功能。在特高壓質(zhì)檢系統(tǒng)中，晶閘管、IGBT、IGBT模塊以及智能功率模塊的用量都不小。

當(dāng)前，功率半導(dǎo)體器件正朝著提升功率密度、提高開關(guān)速度、降低工作損耗、提高耐溫和增強(qiáng)可靠性等方向發(fā)展；但也面臨著器件結(jié)構(gòu)精細(xì)化、功能集成與智能化、熱管理與可靠性、新型材料與工藝等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。在特高壓輸電生態(tài)中對(duì)功率器件總體要求是高電壓、大功率、效率高、熱性能好、可靠性高，只有具備多年技術(shù)積累的功率器件廠商，才有機(jī)會(huì)成為特高壓生態(tài)的供應(yīng)商。

綜上所述，電子元器件在特高壓生態(tài)中發(fā)揮著重要作用，從特高壓輸電到發(fā)電、配電和用電，工程師都可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上去查找所需元器件，以及相應(yīng)的技術(shù)資料。下面我們推薦幾款貿(mào)澤電子在售的，適用于特高壓電網(wǎng)生態(tài)的功率器件。

可用于光伏逆變器的SiC MOSFET

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是特高壓電力傳輸?shù)哪茉垂┙o來(lái)源之一。而逆變器作為光伏發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，主要的作用是將光伏組件發(fā)出的直流電通過功率模塊轉(zhuǎn)變成可以并網(wǎng)的交流電，除此之外，逆變器還承擔(dān)著檢測(cè)組件、電網(wǎng)和電纜運(yùn)行狀態(tài)，以及通信等功能。傳統(tǒng)上，光伏逆變器利用IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，但相比硅基工藝的IGBT，基于第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）工藝的功率管有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

硅基功率器件耐壓值越高，其單位面積導(dǎo)通電阻就越大，IGBT就是為耐高壓器件減少導(dǎo)通電阻而出現(xiàn)的，通過控制電導(dǎo)率，IGBT向漂移層內(nèi)注入少數(shù)載流子空穴，因而導(dǎo)通電阻比MOSFET還小，但由于少數(shù)載流子的聚積，IGBT在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成較大的開關(guān)損耗。SiC器件在漂移層的阻抗比硅器件低，因而不用調(diào)制電導(dǎo)率就能以MOSFET實(shí)現(xiàn)高耐壓與低阻抗，而且MOSFET不會(huì)產(chǎn)生尾電流，所以用SiC MOSFET替換IGBT時(shí)，能夠明顯減少開關(guān)損耗，而且SiC MOSFET的高頻特性更好，可以在IGBT不能工作的高頻開關(guān)條件下去驅(qū)動(dòng)電路，從而減少電源模塊中電感的體積。

我們?yōu)榇蠹彝扑]的第一款元器件來(lái)自制造商安森美 （onsemi），是一款SiC MOSFET，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上的物料號(hào)為NTH4L022N120M3S，大家可以通過查詢此物料號(hào)快速了解該器件的相關(guān)信息。

NTH4L022N120M3S屬于安森美 M3S 1200V 碳化硅（SiC）MOSFET，針對(duì)快速開關(guān)應(yīng)用做了優(yōu)化。該器件支持onsemi的M3S技術(shù)，漏源導(dǎo)通電阻為22毫歐，且降低了EON和EOFF損耗。該器件由18V柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)可提供最佳性能，但也可與15V柵極驅(qū)動(dòng)配合使用。此系列SiC MOSFET具有低開關(guān)損耗，采用TO247-4LD封裝，降低了寄生電感。

• 圖2： NTH4L022N120M3S結(jié)構(gòu)與封裝* （圖源：安森美）

利用NTH4L022N120M3S，可實(shí)現(xiàn)直流到交流、交流到直流，以及直流到直流的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用方式廣泛，因而在電網(wǎng)設(shè)施中，NTH4L022N120M3S既可以用于光伏發(fā)電中的逆變器，也可以用于儲(chǔ)能系統(tǒng)。

光伏逆變器中的半橋SiC模塊

光伏逆變器的主逆變電路有半橋和全橋電路等類型。半橋逆變器由兩個(gè)功率器件開關(guān)串聯(lián)組成，輸出端位于兩個(gè)開關(guān)的中點(diǎn)，由上下兩個(gè)開關(guān)的開通、關(guān)斷來(lái)決定輸出的電壓。半橋逆變器配合兩個(gè)分壓電容，可以輸出雙端之間的高頻交流電。開關(guān)旁一般需要并聯(lián)續(xù)流二極管，以便在感性負(fù)載時(shí)起到續(xù)流作用。半橋逆變器配合正負(fù)雙電壓源，可以輸出雙端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全直流信號(hào)。

半橋逆變電路的功率開關(guān)元器件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但主電路交流輸出的電壓幅值僅為輸入電壓的一半，在同等容量下，其功率開關(guān)的額定電流為全橋逆變電路中的功率元器件額定電流的2倍，由于分壓電容的作用，該電路還具有較強(qiáng)的抗電壓輸出不平衡能力。

接下來(lái)，我們就推薦一款貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的安森美半橋SiC模塊，在貿(mào)澤電子的物料號(hào)為NXH006P120MNF2PTG。

• 圖3： NXH006P120MNF2PTG* （圖源：貿(mào)澤電子）

NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊由兩個(gè)工作電壓1200V的SiC MOSFET開關(guān)和1個(gè)熱敏電阻構(gòu)成，采用F2封裝。兩個(gè)SiC MOSFET開關(guān)采用M1技術(shù)，由18V至20V柵極驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)通電阻僅為6mΩ。該模塊采用平面技術(shù)，裸片熱阻低，因此可靠性高，配合熱敏電阻，可以滿足逆變器工作時(shí)對(duì)于溫度控制的要求。

• 圖4： NXH006P120MNF2PTG系統(tǒng)電路* （圖源：安森美）

NXH006P120MNF2PTG支持的工作結(jié)溫范圍從-40°C至+175°C，在結(jié)溫175°C時(shí)能承受的最大連續(xù)漏級(jí)電流為304A，最大功耗為950W，是一款高性能、低損耗的半橋模塊，非常適合太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和UPS等電力電子應(yīng)用，也可用于電動(dòng)汽車充電樁領(lǐng)域。

光伏逆變器中的SiC二極管

在光伏逆變器市場(chǎng)，SiC二極管由于耐高壓、耐高溫、抗輻射強(qiáng)、小尺寸、功率密度高、容易冷卻等優(yōu)點(diǎn)，非常受市場(chǎng)青睞，尤其是在光伏逆變器的前級(jí)MPPT電路中，SiC二極管的這些優(yōu)勢(shì)更加被重視。根據(jù)光伏逆變器從業(yè)人士分享的數(shù)據(jù)，相較于使用Si二極管，使用SiC二極管的光伏逆變器，在系統(tǒng)損耗上能夠減少30%，在產(chǎn)品體積和重量上能夠減少40%-60%。

下面，我們?yōu)榇蠹彝扑]一款安森美SiC二極管，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上該器件的物料號(hào)為NDC100170A。

• 圖5： NDC100170A器件橫截面示意圖* （圖源：安森美）

NDC100170A基于安森美全新技術(shù)打造，最高結(jié)溫+175°C，V rrm （重復(fù)反向電壓）為1.7kV，并具有出色的高浪涌電流能力。與硅器件相比，可提供出色的開關(guān)性能和更高的可靠性。該二極管無(wú)反向恢復(fù)電流，并具有溫度獨(dú)立的開關(guān)特性以及出色的熱性能。

• 圖6： NDC100170A正向特性* （圖源：安森美）

綜合而言，NDC100170A能夠?yàn)楣夥孀兤飨到y(tǒng)提高系統(tǒng)效率、加快工作頻率、提高功率密度、降低EMI、減小系統(tǒng)尺寸并降低成本。此外，除了適用于光伏逆變器市場(chǎng)，NDC100170A也可用于工業(yè)電源以及風(fēng)力發(fā)電逆變器領(lǐng)域。

可用于基站UPS的IGBT

如上文所述，5G+特高壓已經(jīng)成為智能電網(wǎng)里面的一對(duì)黃金組合，既提高了特高壓系統(tǒng)的運(yùn)維效率，也對(duì)人類巡檢員起到了保護(hù)作用。不過，當(dāng)我們對(duì)比用于特高壓系統(tǒng)的5G基站和普通通信用5G基站時(shí)，前者所處的環(huán)境更加惡劣，溫濕度變化更大，且遭遇暴雨雷擊的概率也更高，那么配備UPS就是系統(tǒng)的必然選擇。

下面，我們?yōu)榇蠹彝扑]的這款器件依然是來(lái)自安森美，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上該器件的物料號(hào)為FGHL50T65MQDT，是一顆可用于UPS系統(tǒng)的IGBT。

• 圖7： FGHL50T65MQDT* （圖源：貿(mào)澤電子）

FGHL50T65MQDT是場(chǎng)終止溝槽型IGBT，為第4代中速IGBT技術(shù)，最高工作結(jié)溫為+175°C，具有正溫度系數(shù)，便于并聯(lián)工作。

如下圖8所示，F(xiàn)GHL50T65MQDT具備出色的大電流能力，此外該器件出色的特征還包括平滑和優(yōu)化的開關(guān)以及緊密的參數(shù)分布，再加上該器件100%經(jīng)過ILM測(cè)試，能夠從容應(yīng)對(duì)特高壓系統(tǒng)下5G基站對(duì)于UPS的巨大挑戰(zhàn)。

• 圖8： FGHL50T65MQDT典型輸出特性* （圖源：安森美）

當(dāng)然，除了用于UPS設(shè)備，F(xiàn)GHL50T65MQDT也可用于太陽(yáng)能逆變器、ESS、PFC和轉(zhuǎn)換器等豐富場(chǎng)景。

"雙碳"目標(biāo)拉動(dòng)功率器件創(chuàng)新

以新能源、特高壓為代表的新型電網(wǎng)正在逐漸改變中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)"雙碳"目標(biāo)的過程中，電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域有大量功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用場(chǎng)景，電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展給功率器件提供了難得的發(fā)展機(jī)遇，類似于特高壓或光伏逆變器元器件廠商及電力模塊設(shè)計(jì)者都需要針對(duì)電網(wǎng)具體應(yīng)用方向來(lái)優(yōu)化技術(shù)方案，為工程師提供更好的技術(shù)選擇。

而貿(mào)澤電子官網(wǎng)就像一個(gè)巨大的"儲(chǔ)能基地"，為工程師提供了電網(wǎng)解決方案中需要用到的功率器件、功率模塊和各種周邊元器件，還有各種技術(shù)教程和相關(guān)資料。貿(mào)澤電子這樣的"儲(chǔ)能基地"正在為工程師在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供源源不斷的動(dòng)力。