這些功率器件撐起3,000億特高壓建設

新能源是支撐國家可持續(xù)發(fā)展的關鍵，隨著“碳達峰”和“碳中和”目標的提出，中國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展將再次提速。但新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一個關鍵問題是發(fā)電與用電區(qū)域不均衡，風電、太陽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。并且風電和太陽能（光伏）等發(fā)電方式波動性較大，在新能源布局較多的西北部地區(qū)，由于用電負荷低于發(fā)電量，造成了較高比例的“棄風”、“棄光”現(xiàn)象。

將大規(guī)模波動性新能源發(fā)電接入電網(wǎng)，一方面要提高儲能技術，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”的實現(xiàn)則離不開特高壓技術。

特高壓具有輸電容量大、輸電距離遠、傳輸損耗低、占地少、經(jīng)濟性明顯等特點。“十四五”期間，中國國家電網(wǎng)規(guī)劃建設特高壓線路“24交14直”，涉及線路3萬余公里，變電換流容量3.4億千伏安，總投資3,800億元。2022年，中國國家電網(wǎng)再開工建設“四交四直”8項特高壓工程，總投資超過1,500億元，特高壓建設迎來新一輪高潮，也拉動了相應產(chǎn)業(yè)鏈的成長。

圖1：特高壓輸電示意圖

（圖源：中商產(chǎn)業(yè)研究院）

本文我們將重點討論特高壓技術的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及應用于特高壓系統(tǒng)的功率器件有哪些，并為大家推薦幾款貿澤電子平臺在售的、可用于特高壓系統(tǒng)的功率器件。

特高壓輸電的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

輸電電壓按等級可以分為低壓、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)界尚無定論。交流模式的優(yōu)勢在于能夠和現(xiàn)階段的電網(wǎng)系統(tǒng)直接接入，直流模式的優(yōu)勢則在于損耗小，傳輸距離遠，抗故障能力強，同樣電壓等級能傳輸更大功率，不過直流模式和當前的交流電網(wǎng)系統(tǒng)在融合時，需要額外增加換流系統(tǒng)。當然，無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，線路損耗低

輸送相同功率時，1,000KV交流特高壓和±1,100KV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。

當然，特高壓作為新型電力系統(tǒng)的核心技術，在具體實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)電的隨機性、波動性、間歇性需要特高壓系統(tǒng)具備智能、柔性的調節(jié)能力；特高壓系統(tǒng)帶來的另一個典型挑戰(zhàn)是系統(tǒng)檢修，對于人類巡檢員來說，特高壓系統(tǒng)檢修被定義為“終極挑戰(zhàn)”，非常危險，并且很多新能源發(fā)電設備地處偏遠，進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，整個生態(tài)中會用到哪些功率器件。

直流輸電核心器件主要由換流站（換流閥）和功率半導體（晶閘管/IGBT）組成。換流閥是直流輸電的核心，價值量集中、技術壁壘高。換流閥中的功率半導體組件是換流閥中價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平臺表示，特高壓直流項目中，換流閥占整個建設成本的比例約為10%，占電力設備成本的比重約為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，相對便宜一些。

隨著電力系統(tǒng)的電力電子柔性化進程加快，焊接型IGBT模塊在容量、效率、電路拓撲和可靠性等方面都難以滿足應用需求，而壓接型IGBT作為一種容量更大、更易串聯(lián)應用的新型封裝形式，是特高壓柔性直流輸配電技術的關鍵核心器件。

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)建設的5G基站，承載密集通道智能運檢業(yè)務的電力5G虛擬專網(wǎng)，幫助完成特高壓系統(tǒng)的無人機巡檢、高精度定位、智能AI操作等功能。在特高壓質檢系統(tǒng)中，晶閘管、IGBT、IGBT模塊以及智能功率模塊的用量都不小。

當前，功率半導體器件正朝著提升功率密度、提高開關速度、降低工作損耗、提高耐溫和增強可靠性等方向發(fā)展；但也面臨著器件結構精細化、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挑戰(zhàn)。在特高壓輸電生態(tài)中對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，只有具備多年技術積累的功率器件廠商，才有機會成為特高壓生態(tài)的供應商。

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，工程師都可以在貿澤電子官網(wǎng)上去查找所需元器件，以及相應的技術資料。下面我們推薦幾款貿澤電子在售的，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

太陽能光伏發(fā)電是特高壓電力傳輸?shù)哪茉垂┙o來源之一。而逆變器作為光伏發(fā)電的關鍵設備，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變成可以并網(wǎng)的交流電，除此之外，逆變器還承擔著檢測組件、電網(wǎng)和電纜運行狀態(tài)，以及通信等功能。傳統(tǒng)上，光伏逆變器利用IGBT來實現(xiàn)直流到交流的轉換，但相比硅基工藝的IGBT，基于第三代半導體碳化硅（SiC）工藝的功率管有更明顯的優(yōu)勢。

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

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

NTH4L022N120M3S屬于安森美 M3S 1200V 碳化硅（SiC）MOSFET，針對快速開關應用做了優(yōu)化。該器件支持安森美的M3S技術，漏源導通電阻為22毫歐，且降低了EON和EOFF損耗。該器件由18V柵極驅動時可提供最佳性能，但也可與15V柵極驅動配合使用。此系列SiC MOSFET具有低開關損耗，采用TO247-4LD封裝，降低了寄生電感。

圖2：NTH4L022N120M3S結構與封裝

（圖源：安森美）

利用NTH4L022N120M3S，可實現(xiàn)直流到交流、交流到直流，以及直流到直流的轉換，應用方式廣泛，因而在電網(wǎng)設施中，NTH4L022N120M3S既可以用于光伏發(fā)電中的逆變器，也可以用于儲能系統(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。半橋逆變器由兩個功率器件開關串聯(lián)組成，輸出端位于兩個開關的中點，由上下兩個開關的開通、關斷來決定輸出的電壓。半橋逆變器配合兩個分壓電容，可以輸出雙端之間的高頻交流電。開關旁一般需要并聯(lián)續(xù)流二極管，以便在感性負載時起到續(xù)流作用。半橋逆變器配合正負雙電壓源，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。

半橋逆變電路的功率開關元器件少，結構簡單，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，該電路還具有較強的抗電壓輸出不平衡能力。

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

圖3：NXH006P120MNF2PTG

（圖源：貿澤電子）

NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊由兩個工作電壓1200V的SiC MOSFET開關和1個熱敏電阻構成，采用F2封裝。兩個SiC MOSFET開關采用M1技術，由18V至20V柵極驅動，導通電阻僅為6mΩ。該模塊采用平面技術，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對于溫度控制的要求。

圖4：NXH006P120MNF2PTG系統(tǒng)電路

（圖源：安森美）

NXH006P120MNF2PTG支持的工作結溫范圍從-40°C至+175°C，在結溫175℃時能承受的最大連續(xù)漏級電流為304A，最大功耗為950W，是一款高性能、低損耗的半橋模塊，非常適合太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)和UPS等電力電子應用，也可用于電動汽車充電樁領域。

光伏逆變器中的SiC二極管

在光伏逆變器市場，SiC二極管由于耐高壓、耐高溫、抗輻射強、小尺寸、功率密度高、容易冷卻等優(yōu)點，非常受市場青睞，尤其是在光伏逆變器的前級MPPT電路中，SiC二極管的這些優(yōu)勢更加被重視。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，貿澤電子網(wǎng)站上該器件的物料號為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打造，最高結溫+175°C，Vrrm（重復反向電壓）為1.7kV，并具有出色的高浪涌電流能力。與硅器件相比，可提供出色的開關性能和更高的可靠性。該二極管無反向恢復電流，并具有溫度獨立的開關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能夠為光伏逆變器系統(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，NDC100170A也可用于工業(yè)電源以及風力發(fā)電逆變器領域。

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)里面的一對黃金組合，既提高了特高壓系統(tǒng)的運維效率，也對人類巡檢員起到了保護作用。不過，當我們對比用于特高壓系統(tǒng)的5G基站和普通通信用5G基站時，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自安森美，貿澤電子網(wǎng)站上該器件的物料號為FGHL50T65MQDT，是一顆可用于UPS系統(tǒng)的IGBT。

圖7：FGHL50T65MQDT

（圖源：貿澤電子）

FGHL50T65MQDT是場終止溝槽型IGBT，為第4代中速IGBT技術，最高工作結溫為+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)化的開關以及緊密的參數(shù)分布，再加上該器件100%經(jīng)過ILM測試，能夠從容應對特高壓系統(tǒng)下5G基站對于UPS的巨大挑戰(zhàn)。

圖8：FGHL50T65MQDT典型輸出特性

（圖源：安森美）

當然，除了用于UPS設備，F(xiàn)GHL50T65MQDT也可用于太陽能逆變器、ESS、PFC和轉換器等豐富場景。

“雙碳”目標拉動功率器件創(chuàng)新

以新能源、特高壓為代表的新型電網(wǎng)正在逐漸改變中國能源結構，在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中，電網(wǎng)建設領域有大量功率半導體器件的應用場景，電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展給功率器件提供了難得的發(fā)展機遇，類似于特高壓或光伏逆變器元器件廠商及電力模塊設計者都需要針對電網(wǎng)具體應用方向來優(yōu)化技術方案，為工程師提供更好的技術選擇。

而貿澤電子官網(wǎng)就像一個巨大的“儲能基地”，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，還有各種技術教程和相關資料。貿澤電子這樣的“儲能基地”正在為工程師在電力電子技術領域的創(chuàng)新提供源源不斷的動力。