全链条技术创新， 国产6.5kV碳化硅器件实现工程应用

　　6.5kV/25A碳化硅

　　MOSFET芯片

　　35kV四端口碳化硅电力电子变压器

　　6.5kV/400A碳化硅

　　MOSFET器件

　　雄安新区零碳智慧驿站示范工程

　　日前，由中国电力科学研究院有限公司联合多家单位共同完成的科技项目《国产6.5kV大容量碳化硅器件、装备及工程应用》荣获“中国电机工程学会电力科学技术进步一等奖”。

　　项目背景：新型电力系统呼唤高压大容量关键技术

　　随着高比例新能源发电与高比例电力电子设备广泛应用，新型电力系统在“发、输、变、配、用”各环节面临深刻变革。高压大容量器件作为电力电子装备的核心，对系统性能具有决定性影响。碳化硅材料具有耐高压、易导热等优异特性，器件容量有望提升10倍以上、损耗降低40%以上，已成为电力系统用第三代半导体的典型代表，是破解新能源规模化外送等新型电力系统建设瓶颈的关键基础技术。

　　立项之初，我国在碳化硅材料领域完全依赖进口，器件研制尚属于起步阶段。对此，我国政府高度重视，连续将高压大容量碳化硅技术列入“十三五”“十四五”科技规划及2035年远景目标纲要。研制国产化高压大容量碳化硅器件，对于新型电力系统装备产业升级以及国家核心元器件自主可控均具有重大战略意义。

　　技术突破：十年攻坚实现全链条创新

　　项目依托国家自然科学基金、国家重点研发计划及国网公司科技项目，组建了半导体物理—微电子—高电压—电力电子—电力系统多学科、跨专业联合攻关团队，历经 10 年持续研究，实现了“材料—芯片—器件—装备”的全链条技术创新：

　　一是攻克了碳化硅超厚外延材料缺陷控制技术，研制了6.5kV/25A碳化硅MOSFET芯片，并在国际上首次研制出6.5kV/400A碳化硅器件，实现批量化制备;

　　二是开发出高压碳化硅器件高可靠驱动保护技术，发明了器件瞬态特性传感、驱动电压柔性调控与高速短路保护等技术，短路保护阈值裕度提升10倍以上，研制出全自主系列驱动保护芯片并实现批量应用;

　　三是突破了高压碳化硅装备研制及工程应用技术，发明了工/高频混频调制的整流/逆变同阀一体化高压换流器拓扑，器件数减少33%，研制出 35kV/5MW 全碳化硅电力电子变压器。

　　成果落地：国际领先技术辐射多行业，经济效益显著

　　项目成果经中国电机工程学会组织的第三方权威鉴定，被认为“在材料、器件、驱动及装备拓扑方面取得了原创性成果，整体技术国际领先”。项目共获授权专利48项，发表SCI/EI论文31篇，出版专著2部;牵头成立行业标准委员会并制定国/行/团标准8项。

　　项目成果已整体应用于雄安零碳交通能源互联网示范工程，填补了高压碳化硅器件及其应用的国际空白。核心装备推广至河北、上海等多项重点工程，器件、驱动等关键组件推广至 5G、新能源、电动汽车、高铁及舰船等领域。相关技术辐射至各电压等级碳化硅材料、器件及装备研发，带动了全产业链技术升级，展现出显著的经济与社会效益。(作者：赵国亮 杨霏 杨鹏)