文/黄如 叶乐 廖怀林，北京大学微电子学研究院

　　1、背景介绍

　　能源问题是未来人类面临的最为严峻的挑战之一。当前人们对能源的需求呈指数形式的增长，若对能源使用方式不加以改变，预计2050年全球能源消耗将增长至20TW，远超于1TW的可容忍目标。传统的以煤炭、石油等化石燃料为主的能源模式将带来一系列重大问题，如环境污染、碳排放的急剧增加、化石能源储量下降等，从而对可持续发展造成很大的障碍。因此，可再生能源是解决能源问题的重要途径。规模化的可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能等。以太阳能为例，如果我们将地球表面1%的面积利用起来，以5%的效率将太阳能转化为电能，那么一年的能源则可供全球使用40年以上。然而，由于可再生能源的独特性导致其无法直接并入传统电网，阻碍了可再生能源的发展。利用可再生能源发电具备以下4个特征及挑战：

　　1)波动性：随着时间、气候、季节等变化，可再生能源发电量波动且不受人为因素控制。

　　2)间歇性：可再生能源发电电压波动剧烈，甚至某些时候无电能输出。

　　3)采能用能间的不平衡性：可再生能源发电高峰期与用电高峰期在时间尺度上不平衡，如太阳能仅可在白天发电，而夜晚则是大多数家庭的用电高峰期。

　　4)地域不平衡性：可再生能源丰富的地区与用电量大的地区往往不一致，如我国风能主要集中于内蒙等北方地区，但是当地却无法消耗大量的风电装机容量。

　　另一方面，传统电网所具备的星型网络拓扑，也使其面临着一系列的问题：

　　1)兼容性差：可再生能源并网困难，时空上剧烈波动的可再生能源将会导致传统电网的电压剧烈波动。

　　2)网络脆弱：易受攻击，如果将传统电网简单的与互联网相结合，那么互联网的开放性特征将导致传统电网极易受到攻击。

　　3)故障传导：传统电网的某一部分发生故障，会传导至更大范围从而导致大面积电网崩溃，并对电网内电气和电子设备造成损伤。美国和加拿大2003年8月14日的大断电事故造成了约300亿美元的经济损失。

　　可再生能源的特征和传统电网的缺陷，导致可再生能源无法直接并入电网，因此，我们有必要利用信息技术对传统电网加以改造，使得可再生能源得以顺利进入电网中，即通过信息技术与电力技术的深度融合，实现电网的变革——可再生能源互联网。如图1所示，分布式可再生电网与信息网络深度融合，构成了可再生能源互联网，从而实现可再生能源的高效配置和高效使用。

　　可再生能源互联网具有类似于互联网的扁平化拓扑结构，由各种规模不同的分布式微电网组成，微电网之间可以实现电能的双向共享和高效配置。大到一座工厂，小到一幢居民房都可以作为一个微电网。如图2所示，一个典型的微电网由分布式采能装置(可再生能源)、分布式储能装置、分布式用能装置(负载)三种类型的基本单元组成，通过固态变压器(solid-statetransformer，SST)实现与电力总线之间的电能双向流动。

　　分布式采能装置负责产生电能，它可以是太阳能、风能等新能源供给端，然而由于可再生能源发电的波动性和间歇性导致发出的电能波动剧烈，而分布式的微电网由于其规模较小，会进一步加剧这一波动，从而无法满足负载对高质量电源的需求。因此，分布式储能装置就显得尤为重要，它可以将微电网中暂时多余的电能储存起来，当电能出现缺口时再释放出来，起到稳定微电网的作用。一个分布式微电网如果无法实现自给自足时，仍然可以从外部电力总线获取电能;如果电能有盈余，则可以向外部输电。本文认为，分布式微电网应当最大限度的实现采能、储能、用能之间微平衡，从而为可再生能源互联网电能高效配置奠定基础。

　　在分布式微电网中，电子系统起着至关重要的作用，可再生能源互联网对电子系统提出了以下五大要求。

　　1)高效性：即实现分布式采能(可再生能源)、储能、用能间的微平衡，从而实现电能的高效配置与高效使用。

　　2)安全性：分布式微电网应当具有故障屏蔽功能，即微电网或其内部发生故障时，应当断开与外部电力总线的联系，防止故障传导乃至大规模电网崩溃，并且具有一定的故障排查与故障自愈能力。

　　3)高质性：应当提供高品质的电能，即稳定的电压和纯净的频率，避免由于谐波污染、电涌等造成的电力设备老化和故障。

　　4)便利性：一方面设备小型化、轻量化，从而可实现小型化的分布式微电网;另一方面，设备即插即用，即任何一个分布式采能装置(可再生能源)、分布式储能装置、或分布式用能装置可以在无须停电的情况下便捷地接入微电网或从微电网中断开。

　　5)宽泛性：可提供多种多样的可再生能源互联网的应用，并可为衍生性应用提供支持。然而传统的电子系统难以满足上述要求，为了实现上述要求，可再生能源互联网中的电子系统需要多学科、多方面、多层次的创新，尤其是需要微电子学科的技术创新，包括微电子材料、工艺、器件和芯片等多层次的创新。

　　微电子技术将会渗透到可再生能源互联网的各个层级，是可再生能源互联网的重要支撑性技术之一。而可再生能源互联网的技术要求和特定应用环境对微电子技术提出了新的挑战。本文将重点围绕固态变压器、分布式储能技术、信息采集芯片技术和通信芯片技术4个方面，阐述可再生能源互联网中的微电子技术所面临的特殊要求、技术挑战及未来可能的发展趋势等。

　　2固态变压器

　　2.1固态变压器的特征

　　固态变压器(SST)是能源互联网系统中实现能量转换的核心部件，为了适应可再生能源互联网的特殊要求，它具备了传统变压器所不具有的众多优点：

　　1)SST不仅可以实现电压转换(高压与低压之间的转换)，还能够实现传统变压器所不能实现的频率变换(直流电与交流电之间的变换)。SST同时具有交流和直流环节，可实现直流低压、直流高压、交流低压、交流高压四种状态之间的转换，从而满足各种分布式电力设备灵活接入电力系统的需求。

　　2)体积小、重量轻。变压器中的铁芯尺寸直接决定了SST的尺寸。由于变压器铁芯大小与工作频率大致成反比，SST通过提高工作频率大大缩小了体积，减轻重量，从而可以广泛应用于分布式电力电子设备中，适应可再生能源互联网海量装备的特点。

　　3)双向输入输出，兼有故障隔离功能。由于SST频率变换和电压变换的灵活性，它可以有效阻断变压器两端故障传递。同时相比于传统变压器只适用于单一频率、单向电压传递，SST几乎可以适用于各种情况下的电压双向传递。

　　例如SST可以将太阳能发电网络并入电网，实现低压直流电向高压交流电的转化;将风能发电网络并入电网，实现低压交流电向高压交流电的转化;为电动汽车充电，实现低压交流电向低压直流电的转化;将分布式储能装置与电力总线相连，实现直流电与交流电的双向传导。这适应了可再生能源互联网应用多样化和宽泛性的特点。

　　2.2固态变压器原理及与传统变压器的区别

　　在电网系统中，变压器的主要目的是电力变压：由于输电线中焦耳损耗正比于电流的平方，远距离输电时，就需要用变压器升高电压以减小电流。发电机的输出电压一般是6∼10kV，通常根据输电距离的远近，用大型电力变压器将电压升高到35，110，220kV等高压。电流经高压线传送到企业用户时，再用降压变压器把电压降到几百伏，以保证用电的安全。

　　从发电、输配电一直到用电，一般需要经过三到五次的变压过程，由于其数目多，容量大，在电力系统(包括发、供、用电)运行中，变压器的电能损失占发电量的10%左右。传统变压器的主要作用是变压和隔离，功能单一，铁芯饱和时，会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流;此外还有过载时电压下降、非线性负载影响敏感等一系列问题。因此，传统变压器往往适用于传统电网的单向输变电应用，无法应用于可再生能源互联网的微电网中，与之相比，SST就具备了与可再生能源互联网很好的相容性。SST的基本结构如图3所示。

　　原方开关S1和S2以高频交替导通，这样低频交流或直流输入信号就被调制成高频信号后再经过高频变压器耦合到副方，副方开关S3和S4的开通和关断与S1和S2同步，仅在相位上有差异。通过控制相位差异就可以控制输出电压幅值。

　　2.3固态变压器的现状及发展方向

　　对SST的研究还处于起步阶段，现在还存在着转换效率低、转换功率低、输入输出多样性低等问题，还无法满足能源互联网对SST的要求。2010年由美国的Cree，Powerex，GE公司联合研发的SiCMOSFET的1MVASST是少数高功率密度的SST之一。

　　为了实现SST并实现更高的性能，微电子方面面临的挑战主要有三方面，如图4所示。第一是半导体材料的发展。第二是功率器件结构的发展。第三是SST模组的发展。主要发展方向包括功率更大、成本更低、体积和重量更小。

　　•半导体材料的发展。由图3的SST原理图结构可以看出，开关在其中扮演着重要角色。好的开关要求开态电阻低、击穿电压高、响应速度快、功率密度高、损耗功率小等。综合来看，SiC材料是制备开关的一种较为理想的材料。如图5所示，与Si相比，SiC的禁带宽度3倍于Si，击穿电压10倍于Si。这表明SiC可以承受很高的击穿电压。不过现阶段制备SiC材料还存在着位错密度较高导致可靠性较差，以及成本有待降低等问题。

　　•功率器件结构的发展。SiC材料的功率器件包括3种主要结构，如10∼15kV的金属—氧化物—半导体场效应晶体管(metal–oxide–semiconductor?eld-e?ecttransistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)和传统的门级可关断晶闸管(gate-turn-o?thyristor，GTO)，如图6所示。其中，MOSFET适用于2kHz以上的高频电路，尺寸可以做得很小，且损耗低、效率高，缺点是电流不能过大，适用于可再生能源互联网中底层SST。IGBT结构也适用于高频，且击穿电压高，但缺点是体积较大，主要用于高频SST。GTO则具有更高的电流和电压特性，但是损耗高、效率低，适用于可再生能源互联网中有大功率、高电压要求的上层SST。

　　考虑到SST小体积要求，当电压小于10kV时MOSFET是适于能源互联网的最佳选择。如果要求的电流更高(>1000A)，SiCGTO(可关断晶闸管)则是最好的选择。未来对于功率材料和器件的探索需要着力于对于宽禁带和高压高频应用的研究。此外为了提高开关功率密度，适用于大电流的材料和器件需要进一步研究;由于相比传统变压器没有了绝缘油，还要求材料和器件适应高温的条件。

　　•SST模组的发展。在SST系统结构方面，基本结构即图7所示的第一种原理结构、可以称之为交流/交流(AC/AC)结构，它具有结构简单，效率高的优点，但是没有隔离措施，输入和输出只能采用交流电压。为了能够做到输入输出电压的多样化和隔离，可以进一步从AC/AC结构改为交流/直流/直流/交流(AC/DC/DC/AC)结构。但是这样的改动导致了结构的复杂化和传输效率的降低。如何兼顾简单的结构和输入输出的多样性是未来需要探索的重点之一。

　　（待续）