隨著柔性直流輸電技術不斷發展，對以直流斷路器為代表的電力裝備提出了更高要求。其中的核心電力電子器件由于受到硅材料的限制，必須配備復雜的水冷系統才能保證其可靠性，嚴重阻礙了電力裝備的小型化、輕量化與可靠性提升。碳化硅器件具有遠超傳統器件的高溫耐受能力，為電力裝備的去水冷化提供了全新的技術路徑。然而，面向直流斷路器大電流、高耐壓的核心工況需求，碳化硅器件面臨芯片電流分布不均、封裝絕緣可靠性不足的關鍵問題。因此，亟需提出高溫下并聯電流均衡方法和封裝絕緣調控方法，掌握碳化硅器件在直流斷路器高溫應用的關鍵技術，以支撐新型無水冷化直流斷路器的研制和工程應用。
趙志斌教授課題組針對碳化硅器件高溫封裝和其在無水冷化直流斷路器中應用的關鍵技術瓶頸，建立了高溫下考慮芯片寄生參數與封裝參數的并聯電流分布模型、深入研究了封裝絕緣材料的高溫特性演化規律及芯片與封裝電場耦合機制。突破了高溫多芯片并聯電流均衡、200℃級封裝絕緣與電場調控、無水冷混合式直流斷路溫差發電自取能等多項關鍵技術。成功研制了面向 10kV 等級混合式直流斷路器的長期通流能力達 1kA 以上，開斷電流能力達 2kA，許用工作溫度超過175℃的碳化硅高溫器件，開發了基于碳化硅器件的緊湊化無水冷混合式直流斷路器樣機。本研究成果攻克了碳化硅器件高溫應用的核心封裝難題，實現了直流斷路器的無水冷化與緊湊化設計，擺脫了柔直裝備對復雜水冷系統的依賴，大幅降低了設備體積、重量與運維成本，為國產碳化硅器件在高壓直流輸電、柔性直流電網等領域的工程化應用提供了關鍵理論基礎與技術支撐。
圖1 1200V/1000A 24芯片并聯SiC MOSFET模塊
圖2 基于碳化硅器件的緊湊化無水冷混合式直流斷路器樣機
2024年1月，該研究工作的成果“A Novel Isolated Gate Driver Power Supply Method for Self-Powered SiC DC Solid-State Switch Using Thermoelectric Generation”發表在國際頂級一區SCI期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。2025年9月及2026年5月，研究成果“Screening Indicator Selection and Clustering Method for Dynamic Current Balancing of Paralleled SiC MOSFETs”和“Design of Double Pulse Test Platform for High Voltage SiC Devices”發表在國際頂級一區SCI期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，新能源電力系統全國重點實驗室是論文唯一通訊單位。該研究工作得到了國家電網公司科技項目“碳化硅器件高溫封裝性能提升及其在直流斷路器無水冷化應用的關鍵技術”的項目資助。
Reference:
[1]L. Qi, W. Chai, X. Zhang, L. Zhan, W. Zhang and W. Li, "A Novel Isolated Gate Driver Power Supply Method for Self-Powered SiC DC Solid-State Switch Using Thermoelectric Generation," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 71, no. 1, pp. 1069-1072, Jan. 2024.
[2] L. Zhang, Z. Zhao, R. Jin, X. Yang, X. Li and X. Cui, "Screening Indicator Selection and Clustering Method for Dynamic Current Balancing of Paralleled SiC MOSFETs," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 40, no. 9, pp. 12154-12166, Sept. 2025.
[3] Y. Zhang, J. Zhang, Y. Cai, P. Sun, X. Li and Z. Zhao, "Design of Double Pulse Test Platform for High Voltage SiC Devices," in IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2026.3694159.
來源：新能源電力系統全國重點實驗室
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