SiC 功率器件本身的优良特性，在高压大功率的变流场合具有广泛的应用前景，是工业界和学术界的研究热点。基于器件串联的高压大容量器件具有导通损耗低、成本低的优势。然而，目前鲜有关于SiC MOSFET 器件串联的实用化报道，其原因在于SiC MOSFET器件串联运行具有系列理论分析及工程实现挑战。本部分在前文针对大功率应用场合的SiC MOSFET 的相关理论分析及应用技术基础上，基于SiC MOSFET 模块串联技术，设计基于八个1200V/200A SiC MOSFET 模块串联的10kV/200A 功率模组，并对其开关特性及持续运行能力做了全面评估。在此基础上，评估了该模块用于中压兆瓦级风电变流器时在多种工况下的综合性能。

　　10kV/200A SiC 功率模组模块设计

　　串联模组的控制结构及等效电路如图 5.1 所示，模块额定电压为10kV，额定电流为200A。该模组对外接口与普通半桥模块对外接口一致，包括直流母线正端口，直流母线负端口和交流输出端口。模块有两对门极控制信号，分别控制上管和下管驱动信号及驱动反馈信号。串联器件模块采用Rohm 1200V/200A 功率模块[106]。模组的静态参数如表 5.1 所示，其中部分数据来源于Rohm 功率模块的数据手册。单个器件的耐压为1200V，根据设计经验，实际器件的雪崩击穿电压在1600V 以上，则总的击穿电压在12.8kV 以上。串联器件的导通电阻为97.7mΩ。该模块采用Rohm 第一代芯片，单个芯片的比导通电阻约为5.2mΩ·cm2，模组的比导通电阻为332.8mΩ·cm2。由于SiC 功率器件导通电阻每过一代都会有很大的降低，且还有继续下降的空间，未来采用更低导通电阻的模块串联能获得更好的导通性能。例如，2021 年报道的CREE 公司第三代1200V 器件的比导通电阻为2.7mΩ·cm2 ，比本文所用的器件比导通电阻下降了48%。

　　由于采用了八管串联配置，整个模组包括八个功率模块，这个八个功率模块每两个一组，放置于同一散热器上。如图 5.2 所示，该布局可有效降低散热器与模块之间的绝缘应力。模块冷却方式可选择强迫风冷或水冷，同一桥臂的模块在热路上是并联的状态，以保证温度均衡。功率回路漏感为219nH，其中包括了模块内部的漏感以及串联模块之间的连接部位的漏感。同时。为了尽量降低模块连接母排的电感，模组采用了叠层母排的设计方式。

　　模块开关波形测试

　　前文分析已表明基于器件串联的高压SiC MOSFET导通损耗理论值要比单管更具有优势，而另一项重点关注的功率器件性能为器件开关特性及处理功率能力。本节在感性负载测试条件下，对提出的高压功率模块的动态特性进行了系统测试，以测试模组动态性能。实验的电压测量探头其带宽为90MHz，电压范围为±7000V。电流探头为罗氏线圈，带宽为30MHz，电流可达600A。

　　为便于性能对比分析，模组测试的相关数据与目前世界上先进的功率模块做了对比分析。作为参考的模块有CREE 的10kV/100A 的SiC 功率模块，相关数据来源于文献。德国英飞凌公司IGBT，6.5kV/250A[113]，瑞士ABB 公司IGBT，6.5kV/400A，相关数据来源于数据手册。由于不同的数据来源及测试条件有差异，测试结果只代表对应测试条件下的数据，和实际使用工况可能会有少许差别。测试数据的相关定义采用IEC60747-9标准，具体标准如表 5.2 所示。

　　模组用于兆瓦级风机变流器损耗计算实例

　　为探究提出的串联模组用于中压大功率变流器的性能，本文以风电并网变流器为例，采用提出的10kV/200ASiC 模组，计算了典型的中压并网变流器的损耗情况。随着风电变流器功率的提升，中压等级的风电并网变流器已引起了广泛的研究和部分产品问世。其中典型的为ABB公司的中压风电变流器，其直流母线电压为5kV，交流并网电压为3.3kV。目前国内相关单位如远景能源、合肥阳光也在大力开展相关的研究。论文计算中选取典型变流器参数，拓扑采用三相半桥电路拓扑。变换器调制方式为SPWM 调制，为提高直流母线电压利用率，本文使用了三次谐波注入。