摘要：
碳化硅SiC（siliconcarbide）是目前最为成熟的宽禁带半导体材料之一，在高压、高温、高频等领域，碳化硅器件的研究和应用已成为当前的研究热点。针对碳化硅器件目前的生产使用状况，简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的FREEDM中心的研究情况，重点分析了高压SiCMOSFET，IGBT，ETO，JFET在SST（SolidStateTransformer）和FID（FaultIsolationDevice）中的应用。针对各类器件本身的特性，FREEDM中心有针对性的选择了相关应用领域，并开发了多代SST和FID的拓扑，许多重要的研究成果引领了全球高压SiC器件的研究趋势。
2008年，美国北卡罗莱纳州立大学AlexQ.Huang教授等效仿网络技术的路由器，提出了“TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement（FREEDM）”系统结构，率先提出了能源路由器的概念。该FREEDM中心由美国NSF投资6000万美金建立，并在2014年由美国DOE再次投资1.4亿美金成立全美宽禁带器件研制和应用的领导机构PowerAmerica。
FREEDM中心系统结构主要具有以下特征：
（1）主要由DGI（distributedgridintelligence）控制系统的核心部件固态变压器（SST）和故障隔离装置（FID）实现智能控制功能；
（2）系统连接12kV交流中压配电母线，低压接口电压为DC380V及AC±120V，即交流配电网和直流配电网同时存在；
（3）低压装置为即插即拔型设备，如DistributedRenewableEnergyResource（DRER）和DistributedEnergyStorageDevice（DESD）等，通过直流配电网集成在FREEDM系统中；
（4）数据链路采用DNP3协议（类似IEC61850）进行数据交换，标准开放的分布式电网接口模式。
1、FREEDM系统
FREEDM中心系统结构如图1所示。从其定义看，其最核心的固态变压器和故障隔离装置由电力电子器件组成，因此功率器件的性能将决定FREEDM系统应用的成败，开发和应用新型材料器件成为其发展的内在动力。
近年来，碳化硅材料因其出色的物理及电特性，越来越受到产业界广泛关注，是研究较为成熟的宽禁带半导体材料之一。碳化硅器件的重要优势在于具有极高的绝缘击穿场强（2.5MV/cm）和饱和漂移速度，与Si相比，能够以更高的杂质浓度和更薄的漂移层厚度制作出600V至数十kV的高耐压功率器件。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积漂移层阻抗可以降低到Si的1/1000。另外，SiC高温（大于500℃）特性和高导热率，突破了硅基功率半导体器件温度（小于175℃）限制所导致的严重局限性，可以应用于更广泛的领域。
随着高压碳化硅功率器件技术的发展，已经研发出了6.5kV的JFET、15kV的碳化硅二极管，20kV的门极可关断晶闸管（GTO），15kV的碳化硅MOSFET和15kV碳化硅IGBT等，如表1所示。这些高压SiC器件的研发成功，将在未来的电力系统微网、交直流输电和FACTs装置，以及电动机车、舰船、光伏发电等领域开辟全新的应用方向。
2、15KVSiCMOSFET 的应用
第1代10kVSiCMOSFET芯片耗尽层厚度为100μm，面积为0.656cm2，单芯片额定电流为20A，单位面积电阻约为100mΩ/cm2（25℃）。通过技术改进，第2代15kV芯片耗尽层厚度为150μm，面积为0.64cm2，单芯片额定电流为10A，单位面积电阻约为204m/cm2（25℃）。当直流母线为6kV，开关电流为15A时，FREEDM自制驱动电路的测试结果表明，总的开关损耗约为6.5mJ（150℃）。由于高压SiCMOSFET体二极管的动态性能较差，常采用如图2所示的电路，在高压MOSFET的漏极串入一个低电压的Si二极管，并在串联体两端并联反向的15kVSiCJBS二极管，该JBS二极管仅有很小的电容性反向恢复电流，且正向压降也较小。目前，单片15kVSiCJBS二极管的面积是0.81cm2，单芯片室温下的电流为40A，导通压降约为10V（20A）。
2.1、第2代SST
图3为第2代SST的拓扑，相对于第1代SST，其主要采用高压15kVSiCMOSFET取代6.5kVSiIGBT。其显著的特点是：
（1）拓扑电路相对简单，两电平取代3单元级联多电平；
（2）开关运行频率高，AC-DC侧电路硬开关的开关频率达6kHz，而DC-DC变流器软开关频率达20kHz，但变压器和输入电感体积显著减小；
（3）由于开关频率提高，变压器和电感铁芯的开关噪声明显降低，运行环境改善；
（4）低功率时的软开关区域仍然相对较小，对高压SiCMOSFET驱动电路的干扰影响大；
（5）整个系统的效率大约提高10%以上，达到94%。
目前，第2代SST的运行功率为20kVA，不仅可以实现高压侧无功补偿、功率双向传送等基本功能，还可实现故障隔离、低压侧电能质量治理等附加功能。在低压侧直流母线接入新能源，并通过合理的控制，可以实现微网调节功能。
2.2第3代SST
针对第2代SST软开关区域小、器件驱动干扰大的缺点，提出了第3代SST，其拓扑如图4所示。该电路可以保证全功率范围内实现软开关，且通过Burst模式可进一步提高电路整体效率，其完善的保护机制保证电路的可靠性。此外，第3代SST交流输入侧采用Dual-buck电路，该电路充分利用SiC二极管可忽略反向恢复过程的优点，在不设置死区时间的前提下，防止桥臂直通故障，尽可能地发挥SiC器件的高频特性。使用该电路后，MOSFET无需串联低压阻断二极管，封装相对简单，杂散电感小。最后，该电路通过使用高压SiCIGBT器件组成工频开关桥臂，可显著降低电路的开关损耗和MOSFET的通态导通压降，提高装置的整体效率。目前，Dual-buck电路硬开关的开关频率达6kHz，DC-DC变流器高压侧SiCMOSFET软开关频率达40kHz。
3、15kVSiCIGBT的应用
针对MOSFET导通压降大的缺点，IGBT依靠少数载流子注入的调制机理降低器件的导通压降，但该调制也导致了较长的载流子寿命，因此IGBT关断时刻拥有较大的拖尾电流，进而增大了IGBT的开关损耗，使其实际运行的开关频率相对MOSFET降低。如图5所示，第1代15kVSiCIGBT芯片面积为0.45cm2，单芯片室温下的电流为40A，导通压降为6.1V（32A），VGE=20V。由于IGBT制作工艺相对MOSFET复杂，SiCIGBT的成品率仍然较低，目前CREE的IGBT供货情况不是很明朗，还有待提高和改进。
提出了基于SiCIGBT的三电平NPC型SST，图6所示。该三电平NPC通过器件的串联实现高耐压，同时通过多电平调制方式可提高总电路的等效开关频率，有效地降低器件的电压应力和开关损耗。相对其他多电平方式，该电路相对简单，且控制和调制策略成熟。其主要的难点在于高频变压器设计、高压器件驱动技术、安全隔离布置等。
4、20kVSiCETO的应用
FID是未来智能能源互联网的另外一个重要装置，其性能优劣将极大影响能源互联网的整体运行性能。FREEDM的第1代FID采用6.5kVIGBT，其主要的问题是体积大，驱动电源接线复杂且隔离要求高，关断损耗极大。随着SiC器件的发展，高压大电流GTO成为可能，但常规的GTO很难实现快速关断，并且不能在直流电路中关断短路电流。基于15kVSiCGTO的ETO原理及GTO样品480V，3-phase，60Hzgrid如图7所示。图7（a）中，通过在门极和发射极加入低压MOSFET可形成开关自由的EmitterTurn-off（ETO）Thyristor，该ETO通过在门极加负压，并关断发射极MOSFET，转移发射极电流到门极电路，使ETO具有自关断能力和快速的开关速度（μs级）。目前SiCp-GTO在2×1014/cm2掺杂浓度下的耗尽层厚度为120μm，单位面积的电阻为4.8mΩ/cm2，电流密度可达600~700A/cm2，现有单芯片的有效面积为0.521cm2。在室温条件下，图7（b）所示的GTO开关电流可达上百A，通过数十个此类ETO并联，完全可以应用于电力系统需要数kA的短路关断电流能力的场合。
4.1第2代FID
如图8所示，第2代FID采用2个ETO背靠背连接的电路，每个ETO并联对应高压SiC二极管。ETO不导通时，由其中的一个二极管反向阻断；ETO导通时，通过另外器件的反向二极管配合实现导通。
该电路结构和控制都十分简单，主要依靠ETO可直接关断交直流电流的特性实现，ETO由光纤隔离电路直接驱动，其优点是只需要一个隔离驱动电源。第2代FID主要的缺点是ETO的导通压降大，静态损耗较大，需要很大的散热器，并且已有的高压SiC二极管的浪涌能力较差，电路的过载能力受限，较难使用在更大容量的系统中。
4.2第3代FID
针对功率器件正常运行时静态损耗大的缺点。FREEDM中心开发了第3代FID，如图9所示，其结构主要由并联运行的快速断路器和高压电力电子功率电路组成。正常运行时，运行电流主要由快速断路器承担，高压功率器件分支（由单个可控SiCETO和串联的Si二极管整流桥组成）由于导通压降大，几乎无电流。故障发生后，辅助MOSFET开关先关断，此时快速断路器支路的电流被迅速切断，此后特殊的快速断路器动作结构可以实现无消弧过程。待快速断路器达到对应电压的阻断能力后，再关断高压电力电子功率器件支路，该支路关断产生的高压将由RC吸收电路和MOV电路消除。目前，该电路的开关过程可以控制在5ms以内，相对常规断路器100ms的动作时间显著减少。
5其他高压SiC器件的应用
5.1、15kVSiCMOSFET/6.5kVSiIGBT混合型器件
图10给出了15kVSiCMOSFET和6.5kVSiIGBT混合并联型器件原理，其主要是利用MOSFET关断无拖尾电流开关损耗低和IGBT导通压降低的特点，综合两者的优势，优化混合器件的特性。
正常运行时，负载电流的主要部分由SiIGBT支路分担，SiCMOSFET仅承担少量的电流，其分流值由IGBT的饱和压降和MOSFET的导通电阻决定。关断时刻，首先取消IGBT的驱动信号，经过Td的延时后，再取消MOSFET的驱动信号，通过多次测试并调整延迟关断时间可以减少混合器件的关断损耗。
测试结果表明，通过混合并联，整个器件的关断损耗可以减少50%以上，关断损耗和导通损耗的总损耗将减少35%。
5.2、6.5kVSiCJFET与6.5kVSiIGBT混合型器件
针对SiC器件高温下氧化栅极技术不成熟的缺点，UnitedSiliconCarbide公司和Infineon等开发了无需氧化栅极结构的JFET。常规JFET是常开器件，需要在门极加负压时才能完全关断器件沟道，因此其使用范围有一定的局限性，往往会导致直流母线直通短路。针对这一特点，UnitedSiliconCarbide开发了增强型的JFET，其“0”V栅偏压时是不导电的器件，只有当栅极电压大于其阈值电压时才能出现导电沟道。
该类电路的原理和图10相似，仅是将SiCMOSFET改为SiCJFET，运行控制方式一致。FREEDM实验结果表明混合器件相对SiIGBT，通过调整延时时间，最大可以减少70%的开关损耗，但成本大约需要增加50%。考虑SiC器件未来的发展趋势，这部分成本会在未来5年内快速降低，并可通过减少损耗来补偿。
5.3、1.2kVSiCJFET与1.2kVSiCMOSFET混合串联型器件
常规JFET是常开器件，通过Cascode结构的应用电路可以实现常关性器件特性，其开通特性主要由低压MOSFET特性决定，通过合理选择低压MOSFET器件，可以优化这个Cascode结构JFET的性能。
图11是FREEDM开发的混合串联型器件，该器件最底层采用1.2kVSiCMOSFET，其余器件为1.2kVSiCJFET。
该SiCMOSFET取代常规Cascode结构的低压Si器件，需要承担分压，而且，相对Si器件，可以承受更高温度。使用JFET的优势在于电流反向流动时，JFET门极电压已自动恢复至“0”V，此时JFET已自然转为导通状态（JFET的门极阈值电压为15~-6V），反方向电流仅走JFET的沟道（第三象限运行模式），因此该电路中JFET无需反向续流二极管。而且，相对反向续流二极管，此电路反向导通的电压降很小。
6、结语
本文简述了高压SiC器件在FREEDM中心的应用情况，主要涉及MOSFET、IGBT、ETO和JFET等器件，应用场合主要有SST和FID等FREEDM核心应用领域。实践结果表明SiC器件可以显著简化电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来有效降低无源器件的体积，提高单位功率密度。但是，SiC器件的驱动技术和电源隔离技术还有待提高，否则较高的dv/dt和di/dt将引起驱动电路干扰，甚至器件的误触发而导致故障。
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