在电力电子装备中，中压大功率变换装备通常指的是电压等级为1kV-35kV，功率等级在数百千瓦以上的电能变换装备。图1.1给出了部分大功率电力电子装备常见的重要应用场合及其对应的电压和功率等级。其典型的应用场合为大容量数据中心、柔性直流输配电、超级充电站、大功率变频调速及国防装备等。作为系列国家重大基础设施中的电能转换关键部件，中压大功率装备直接决定整个系统的运行性能。

　　以大容量数据中心用电量为例，据统计，在年，世界上有8%的电能被信息通信产业所消耗，在年将达到20.7%，其中数据中心消耗了33%的电能，约为Twh/年。随着5G时代的来临，数据中心的耗电量还会急剧增长。作为数据中心供电架构里的核心设备，不间断电源（UPS）在外部电源中断的工况下负责维持系统的持续运行。随着数据中心容量增加，已经出现了功率达20MW的UPS需求，现行的低压UPS方案已经难以满足市场要求。由于中压UPS在效率、成本、占地面积上的较大优势，已成为重要的研究和发展方向。在此驱动下，业界领先的跨国公司，包括美国伊顿电气公司（EATON）、德国西门子电气等，都已规划中压UPS技术的研发，并陆续推出相关产品。

　　另一类关键装备为大功率电机驱动器，其功能为驱动大功率电机完成电能至机械能的转换。典型的应用场合为电气化交通、石油化工、矿山开采及电磁推射等军事装备等。例如，在南水北调工程中，为克服水位落差，需要用水泵提升水位。瑞士ABB公司的ACS系列中压变频器是其水泵电机驱动器方案之一。又如美国特斯拉公司筹划建设的超级高铁，计划速度达音速的一半，其核心动力电机也由中压大功率变频器驱动，预计总功率达MVA。

　　综上，大功率变流器在国内外系列重大工程中发挥着至关重要的作用。因此，开展大功率电力电子装备的核心技术研究具有极为重要的理论意义和现实需求。长期以来，我国大功率高端电力电子装备技术发展落后于发达国家。美国通用电气、美国伊顿电气、德国西门子、瑞士ABB及日本三菱电气等跨国大公司占据了行业的高端市场。在国家支持下，目前国内相关行业处于快速发展阶段。国内的公司如中国中车等均有相应大功率变流器产品，且装备电压等级越来越高、功率等级越来越大。

　　大功率变流装备的总体需求是功率不断加大、性能越来越高。由图1.1的功率器件和变流装备的容量范围对比可知，随着变流器功率增加，电压提升是必然趋势。然而，现有功率器件的单管容量和电压等级不能满足装备需求。为了弥补功率器件的耐压能力不足，三电平、五电平、级联多电平和模块化多电平等多电平变换技术应运而生。

　　多电平变换方案的成功应用，扩展了电力电子装备的工作边界。然而，在更加苛刻的需求下，需要对中压大功率解决方案进行再思考。大功率电力电子装备除了满足基本的性能指标之外，还会根据应用场合的不同也有所具体变化。比如在电气化交通中，大功率、轻量化是发展趋势。

　　又如在数据中心应用中，高效率、低占地面积是核心 　　功率器件性能是决定拓扑方案选择的主要依据之一。在代表性的拓扑方案中，三电平和五电平电路比级联型拓扑和模块化多电平拓扑具有更高的功率密度，然而受到功率器件耐压、损耗等性能限制，其电压等级、功率等级相对偏低。现阶段的商用绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）器件最高电压为6.5kV，随着电压等级提升，IGBT器件的开关损耗和物料成本会急剧增加。因此，在现有的中压大功率产品中，主流器件不是直接采用高压器件，而是通过级联或模块化多电平技术拓扑来实现电压拓展。通常来讲，在电压等级和功率等级相对较低时，如交流电压3.3kV以下，主流方案多采用两电平、三电平或五电平变换器拓扑。在电压等级到10kV以上时，主流方案主要为级联型H桥或模块化多电平变换器结构。然而，其代价是需要较大的子模块电容。例如，3MVA/4.16kV的变频器，变流器中所需要的储能容量（J/kVA），级联型拓扑是五电平拓扑的3.3倍，MMC拓扑是五电平拓扑的8.4倍。

　　综上所述，功率器件的演进是推动大功率变流装备性能提升的内生动力，也是决定电力电子装备性能的关键因素。作为电能变换核心的功率器件，其高电压、大电流、低损耗是一直以来的核心需求。在宽禁带器件技术快速发展的大背景下，亟需开展把碳化硅（SiC）功率器件引入中压大功率变流领域的相关研究[18]，从而突破当前器件性能的限制。一方面，高压SiC器件的引入将使得高功率密度拓扑在效率上和级联拓扑或模块化多电平拓扑相当，扩展原有拓扑的应用范围。同时，即使直接用高压SiC器件替换现有拓扑中的高压IGBT器件，损耗的降低和开关频率的提升也会给系统效率或功率密度带来较大的提升。在可预见的将来，中压SiCMOSFET器件的引入将会对中压大功率装备解决方案带来深刻地改变，推动变流装备向更大功率、更高效率和轻量化方向发展。

　　大容量功率器件发展现状

　　图1.2为功率器件的总体发展趋势[20]，目前世界上主流的硅基功率半导体器件，经历了不控器件、半控器件至全控器件的发展历程。在中压大功率电能变流场合应用最广的IGBT。IGBT是一种电压全控型器件，具有驱动简单、开关速度快、开关/导通损耗较小等优点，在柔性直流输电、高速机车牵引/传动、新能源接入等大功率变流领域取得了广泛应用。大容量IGBT器件主要有模块式/压接式两种典型封装结构，涵盖1.7kV～6.5kV/A～A多种电压/电流等级。经过四十多年来的不断优化，IGBT器件性能已接近其物理极限，制约了大功率变流装备性能的进一步提升。

　　SiC材料是一种人造材料，于年被英国工程师H.J.Round用来制造了首个发光二极管。在上世纪90年代开始有相关SiC功率器件的研究。与硅半导体相比，SiC主要的物理参数对比如表1.1所示。高击穿场强、高热导率等优异的物理特性使得SiC材料非常适合于制造高压大功率器件。年德国英飞凌公司发布了第一个商用碳化硅肖特基二极管，年日本Rohm和美国CREE公司相继发布了第一个商用的SiCMOSFET。随着工艺的成熟及配套产业的发展，SiC器件市场容量也逐年上升。近年来，SiC功率器件的大规模应用迎来了历史性窗口期。据市场咨询公司Yole的最新预测，至年，SiC功率器件的全球市场将达到15亿美元，年复合增长率达31%。

　　虽然SiCMOSFET在高压大功率应用场合被寄予厚望，但目前商用的功率器件的最高电压等级为V，与IGBT最高达6.5kV的器件耐压还有一定差距。CREE公司虽已有10kV/A的样品问世，然而离大规模的量产相距甚远。受限于市场规模，适合直接用于中压应用场合的器件发展较为缓慢。据Yole预计，至年，V及以上SiC功率器件的市场份额在5%以下。部分公司已在开展高压SiCMOSFET的应用尝试，其中日本的三菱公司在年已报道了把V/1ASiC器件用于轨道交通，已实现电机系统总重量降到了2/3，并计划于年在新一代新干线上使用。年，美国通用电气公司研发了世界上第一台基于15kVSiCMOSFET的固态变压器，与传统的工频变压器相比，其体积降低了50%，重量降低了75%。

　　SiC功率器件由较低电压向较高电压发展，面临系列新的挑战。首先是导通电阻较大SiCMOSFET是单极性导电器件，其导通电阻由漂移区电阻主导。击穿电压与漂移区电阻有以下关系。

　　其中，BV为器件的雪崩击穿电压，Rdrift为漂移区电阻，指数α为相关的增长系数，α=2.5。表1.2高压SiC器件的相关参数，表明随着器件阻断电压升高，其导通电阻将会急剧增加，加大了导通损耗，限制了器件容量提升。从导通电阻的角度考虑，常规结构的SiCMOSFET器件，其理论的性能最优区间在电压10kV以下。

　　因此，对寄予厚望的SiCMOSFET器件，当单个器件耐压走向更高电压时，也存在着导通电阻较大的局限。为了满足大功率、轻量化及高效率的需求，需要更高电压、更低损耗的功率器件或者解决方案。

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