电力电子技术的发展，尤其是功率半导体器件的快速发展，将使功率半导体器件在电网的发电、输电、变电和用电各个方面得到更为广泛的应用。柔性电网、柔性变电站这类基于功率半导体器件和电力电子技术的领域是电网创新发展的重点，也给电力电子技术及功率半导体器件技术在电网的应用提供了难得的发展机遇。

　　没有现代功率半导体器件，就没有现代电力电子装置及其应用;没有功率半导体器件应用市场需求强劲的推动和促进，也不会出现今天功率半导体器件蓬勃发展的局面。不同的应用场合对功率半导体器件的要求不尽相同，对电网应用而言，功率半导体器件定制化的开发可以实现新的功能和更好的装置整体性能。

　　电网的柔性发展

　　自20 世纪50 年代晶闸管问世以来，电力电子技术日新月异，并在能源、交通、冶金、军事、消费等领域得到广泛应用。在电力电子技术发展过程中，功率半导体器件的发展起着决定性作用。“一代器件决定一代电力电子技术”，晶闸管的问世带来电力电子产业的蓬勃发展，而IGBT 的出现则引领电力电子产业进入了全控器件时代。

　　在电网应用层面，功率半导体器件主要应用于直流输电、灵活交流输电(FACTS)、新能源发电等领域，为电网技术的发展和进步起到了巨大的推进作用。

　　其中，直流输电分为基于电网换相换流器的高压直流输电 (LCC-HVDC) 和基于电压源换流器的高压直流输电 (VSC-HVDC)。LCC-HVDC 换流器采用高压、大功率晶闸管，而VSC-HVDC 换流器基本上都采用高压、大功率IGBT。灵活交流输电 (FACTS) 设备繁多，功能各异，大致可分为基于半控器件的FACTS 和基于全控器件的FACTS。基于半控器件的FACTS 通常采用高压、大功率晶闸管， 如静止无功补偿器 (SVC) 和晶闸管控制的串联电容器 (TCSC)。基于全控器件的FACTS 曾采用过GTO、IGCT、IGBT 和IEGT 等， 近些年基本上都转而采用IGBT。各类光伏/ 风电并网换流器、电动汽车充电桩等基本都采用IGBT。电网已成为功率半导体器件继轨道交通之后又一主要细分市场。

　　柔性电网

　　随着直流输电/ 柔性直流、灵活交流输电、分布式电源等技术的应用，电网将具有一些柔性。电力电子技术的发展，尤其是功率半导体器件的快速发展，将使功率半导体器件在电网发电、输电、变电和用电各方面得到更为广泛的应用，整个电网朝电力电子化方向加速发展， 最终从根本上改变电网的形态和物理性质。

　　从物理特性上讲，传统的刚性电网将变为柔性电网，刚性电网和柔性电网的不同体现在， 发电中，刚性电网采用水轮机、汽轮机、柴油机，而柔性电网使用光伏加换流器、风力加换流器、燃料电池加换流器;输电中刚性电网采用不可控交流，而柔性电网采用灵活交流输电、直流输电、柔性直流、直流电网;变电中刚性电网采用油浸式变压器、干式变压器，真空断路器、SF6 断路器，电容器、电抗器、调相机， 无源滤波器，而柔性电网采用电力电子变压器， 直流断路器、固态开关，STATCOM、SVC、CSR、SSSC、TCSC，有源电力滤波器、统一电能质量调节器;刚性电网可用于白炽灯、电动机等电阻性、电感性负载，柔性电网可用在数据中心、电气化铁路、变频调速、智能家用电器、电动汽车充电、数码设备、变频空调、无刷直流电机。

　　从材料特性上讲，过去的铜铁电网将变为半导体电网。可见，功率半导体器件对电网发展的影响是根本性的、颠覆性的，不仅带来电力电子装置的升级换代，而且对电网的柔性化发展必不可少。毫无疑问，整个电网向半导体化发展过程中对功率半导体器件需求是巨大的，市场容量非常广阔。

　　为满足FACTS 和HVDC 对大功率的要求， 器件的电压电流参数需要进一步提升，至少需要研制出4500V/3000A 和4500V/5000A 的IGBT。在器件技术方面，IGBT 和FRD 仍有较大优化空间和潜力，针对应用的定制化设计是一个重要的发展趋势，如低通态压降IGBT、高短路关断能力IGBT 等。柔性电网对功率半导体器件的特性有其个性化要求，如希望器件采用压接型，以获得大容量和好的散热性能;低通态压降，以提高装置整体效率;失效时短路，以使相应电路保持通路;高可靠性，以确保电网的可靠运行;高短路电流耐受能力和开断能力，以承受数十千安的故障电流并能可靠关断。

　　柔性变电站

　　柔性变电站由电力电子变压器、固态断路器、母联柔性控制器等电力电子装置构成，可提高电网潮流调控能力，能实现多种新能源柔性接入、储能设备直接接入、直流负荷直供和多个柔性变电站之间互联，可作为交直流电网的枢纽，在实现交直流电网混联及交直流负荷混供的同时，可快速切除故障与自愈。

　　柔性变电站对功率器件的个性化需求包括：应是高电压、大功率，以减少换流器模块数量，简化拓扑结构，降低控制复杂度，减少占地、体积和重量;应是高可靠性的，以确保电网可靠运行;应是低通态压降、开关损耗小的，以降低损耗，减少散热要求;应是高开关频率的，以减少体积和可听噪声污染;应是高结温的，以提高可靠性，减少散热要求。由此看来，10kV/15kV SiC 器件是这类需求定制化优先开发对象。

　　国内外功率半导体器件的发展

　　在特高压直流输电技术需求的驱动下，我国以晶闸管为代表的半控型器件技术已经成熟，水平居世界前列， 6 英寸的晶闸管已广泛用于高压直流输电系统，并打入国际市场，形成了国际竞争力。

　　硅基IGBT器件

　　国际上，2500V 以上大功率IGBT 主要供货商有英飞凌、ABB、三菱和东芝。ABB 致力于器件开发、装置研制及工程应用，焊接型IGBT 已有6500V/750A、3300V/1500A 和1700V/3600A 系列; 压接型IGBT 已有4500V/2000A、4500V/3000A 系列，4500V/2000A 已有工程应用，4500V/3000A 仍处于试用与推广阶段。东芝的压接型IGBT 采用圆形陶瓷管壳封装， 主要有4500V/1500A 和4500V/2100A 系列，4500V/1500A 在南澳柔性直流工程有应用。

　　国内，研究机构与国内的芯片代工厂合作开发出3300V~6500V 系列IGBT 和FRD 芯片。有一两家企业已独立开发出3300V/1200A， 3300V/1500A，4500V/1200A 系列焊接型IGBT 产品并已得到不同程度的批量应用，目前正开发3300~4500V/2000~3000A 压接型IGBT。

　　总体来看，以ABB 为代表的国际大公司在高压大功率IGBT 方面一直处于引领者的地位，其器件技术水平比国内要领先一代左右， 在市场占有方面处于垄断地位。而国内功率半导体研发制造企业只在一些单项技术方面取得了突破，尚未实现全产业链的整体突破，尚不具备与国外大公司相抗衡的能力。

　　SiC器件

　　与传统硅器件相比，SiC 器件有着更加优良的综合性能，如高电压、高结温等。20 世纪90 年代，美国、日本和德国就开始对SiC 材料和功率器件相关技术进行研究，各种SiC 功率器件相继问世。在SiC 材料方面，SiC 材料微孔问题已得到解决，SiC 衬底材料已由4 英寸逐渐过渡到6 英寸。在SiC 器件方面，国外SiC 中低压器件已实现产品化，高压器件还处于样品研发与试用阶段。CREE 和ROHM 已推出1.2kV/300A 全SiC 模块产品，三菱公司研发出1.7kV/1200A 混合模块和3.3kV/1500A 全SiC 功率模块样品。在SiC 器件高压应用方面，CREE、POWEREX 和GE 联合研制一台基于SiC-MOSFET 的容量为1MVA、开关频率达20kHz 的单相电力电子变压器。

　　国内在SiC 材料方面， 已研制出6 英寸SiC 衬底样品;外延方面，4~6 英寸外延材料已初步形成产品;SiC 器件方面， 已研制出1.2kV/200A 半桥结构的全SiC 功率模块，3.3kV/600A 混合模块样品;SiC 器件高压应用方面，已研制出基于SiC MOSFET 的200kVA 换流器样机。

　　在SiC 器件领域，国外大公司仍是行业主导，在中低压中小功率SiC 器件方面已形成完整产业链，出货量呈倍增态势，正在步入成熟期。国内现阶段基本以研究为主，集中于SiC 技术链条中的个别点上进行攻关，总体看综合实力不强，在材料和外延方面尚存在短板，与国际先进水平还有一定差距。

　　发展建议

　　器件技术的快速发展离不开需求的牵引。IGBT 之所以在过去30 年内取得了中、高功率电力电子装置中的统治地位，离不开消费、能源、交通和军事领域的强劲需求。对于SiC 器件， 由于中低压器件的应用市场非常大，且与SiC 技术发展阶段相契合，使得国外公司着力于发展中低压器件并且实现了产业化。国内电网技术发展迅速，已处于国际领先水平，急需通过在新技术领域的自主创新实现由跟随到引领的转变，而柔性电网、柔性变电站这类基于功率半导体器件和电力电子技术的领域是电网创新发展的重点。这给电力电子技术及功率半导体器件技术在电网的应用提供了难得的发展机遇， 需要针对电网的具体应用方向，如直流断路器用压接型IGBT 或柔性变电站用中高压SiC 器件等开展定制化开发设计以提高研发的针对性。明确该具体应用方向对功率半导体器件的电气特性、封装形式的要求，采用针对性的定制化设计器件，统筹兼顾，协同优化芯片、封装、驱动、组件的各个参数，以此提高装置整体性能。借助国内电网发展对功率半导体器件的迫切需求最终达到在高压大功率器件方面率先突破，实现弯道超车。

　　技术的飞速发展离不开专业化分工和协作。与国外相比较，国内功率半导体器件研制单位较多，各有所长，却又各有短板，综合实力不强， 目前没有任何一家企业能够具备与国外大公司相抗衡的实力。只有通过体制机制创新，形成合作互补的利益共同体，借助国家在政策和研发资金方面的支持，借助行业发展的需求驱动，通过专业化分工合作，才有可能在这一领域实现赶超。走专业化分工合作的道路，需要积极探索合作机制，其核心是解决好不同组织之间的利益一致性问题，利益分配机制问题，价值贡献的确定和传导问题，最终达到合作多方共赢的局面。

　　作者单位：全球能源互联网研究院