關(guān)于15kV-SiC-IGBT發(fā)展及其對(duì)電力應(yīng)用影響

1、 智能電網(wǎng)技術(shù)智能電網(wǎng)技術(shù)關(guān)于關(guān)于15kV SiC IGBT15kV SiC IGBT的發(fā)展及其對(duì)的發(fā)展及其對(duì) 電力應(yīng)用的影響電力應(yīng)用的影響姓名：何家 專業(yè)：控制工程 學(xué)號(hào)：16851928綱要o Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程o SiC IGBT的優(yōu)勢(shì)o 15-kV SiC IGBT的設(shè)計(jì)與優(yōu)化o 基于15kV SiC IGBT的固態(tài)變壓器1、Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程o 第一代Si雙極晶體管(BJT)、晶閘管(SCR)及其派生器件。 功率晶閘管用來實(shí)現(xiàn)大容量的電流控制，在低頻相位控制領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。o 第二代功率MOSFET。 MOSFET可以在更高的頻率下(100kHz以上)實(shí)現(xiàn)開

2、關(guān)工作，同時(shí)MOSFET具有比雙極器件寬得多的安全工作區(qū)。o 第三代絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 它是一種包括MOSFET以及雙極晶體管的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，兼有功率MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)。自1982年由美國(guó)GE公司提出以來，發(fā)展十分迅速。Si材料的缺點(diǎn)o 電壓容量一般在6.5kV以下o 頻率在1kHz以下o 不能應(yīng)用于溫度高于125的系統(tǒng)o 大部分Si晶體電力設(shè)備沒有制冷系統(tǒng)和 緩沖器Si功率半導(dǎo)體器件的缺點(diǎn)o Si較低的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec，限制了器件的最高工作電壓以及導(dǎo)通電阻，受限制的導(dǎo)通電阻使Si功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗難以達(dá)到理想狀態(tài)。o Si較小的禁帶寬度Eg及較低的熱導(dǎo)率，限

3、制了器件的最高工作溫度(200)及最大功率。o 擊穿電場(chǎng)特別強(qiáng)，是Si的5-10倍o 禁帶寬度是Si的3倍o 電子飽和漂移速度是Si的2倍o 熱導(dǎo)率是Si的3倍 SiC器件能滿足500以上溫度工作的需要, 特別適于制作高頻、高速、高壓、高功率器件。 SiC IGBT的特性 隨著高壓SiC設(shè)備的發(fā)展，阻斷電壓和運(yùn)行結(jié)溫也隨之升高，SiC MOSFET的通態(tài)電阻也大大增加了，這樣它就不適用于電壓高于15KV的設(shè)備。而SiC IGBT技術(shù)優(yōu)越的通態(tài)特性，快速轉(zhuǎn)換速度和良好的的安全運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域（SOA），使得它對(duì)于阻斷電壓在15-25KV的高壓電力設(shè)備非常具有發(fā)展?jié)摿ΑＳ?jì)算15KV SiC N溝道IGBT

4、功率處理容量和轉(zhuǎn)換頻率o 轉(zhuǎn)換設(shè)備的功率密度處理能力(Sd)表示為正常運(yùn)行時(shí)的電流密度(Jdc)與阻斷電壓的乘積(BV)。 SiC IGBT對(duì)電力應(yīng)用產(chǎn)生的影響o 將不可能變成可能 例如，固態(tài)變壓器（SST）的觀點(diǎn)取代了傳統(tǒng)的60Hz分布式變壓器雖然SST有很多優(yōu)點(diǎn)，比如重量輕，體積小，整功率因數(shù)等，但是由于硅晶體半導(dǎo)體設(shè)備的轉(zhuǎn)換頻率已受到限制，SST已經(jīng)沒有發(fā)展空間 ?？墒请S15kV,5kHz的轉(zhuǎn)換頻率SiC IGBT的發(fā)展，SST又將會(huì)成為事實(shí)，就像20世紀(jì)70年代和80年代，開關(guān)式電源取代60Hz變壓器成為功率轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)。 o 將會(huì)大大的改變現(xiàn)有的以電力電子裝置為基礎(chǔ)的電力應(yīng)用設(shè)備，特別

5、是交流輸電系統(tǒng)（FACTS） 例如，傳統(tǒng)的高壓靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）依賴多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或一系列連接設(shè)備來耐高壓。而高壓SiC IGBT大大的簡(jiǎn)化了STATCOM的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，高轉(zhuǎn)換頻率改善了電能質(zhì)量。3、15-kV SiC IGBT 的設(shè)計(jì)與優(yōu)化15-kV N溝道4H-SiC IGBT的半單元截面圖o P+發(fā)射極層是第一個(gè)外延層 o n型底部緩沖層（場(chǎng)塞）o n-漂移層 o n型電流增強(qiáng)層（CEL） 高溫下15kV SiC IGBT和MOSFET的仿真正向電流-電壓曲線o 仿真研究表明，在集電極電流密度為30A/cm時(shí)，15kV SiC IGBT能達(dá)到6.2V的正向壓降，室溫下漂流層雙

6、極性載流子壽命1.2us以及溫度400K時(shí)正向壓降為5V。 o改善SiC IGBT的正向壓降與關(guān)斷損耗折中關(guān)系的一種設(shè)想是采用穿通結(jié)構(gòu)，降低漂移層厚度。在本設(shè)計(jì)的15-kV SIC IGBT中，采用底部緩沖層（場(chǎng)塞）。o漂移層的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的程度和SIC IGBT的內(nèi)部PNP晶體管的電流增益，均受到漂移層雙極型載流子壽命的影響。因此改善SIC IGBT的正向壓降和關(guān)斷損耗折中關(guān)系的另一種設(shè)想是調(diào)整SIC IGBT的n-漂移層的載流子壽命。 15kV SiC IGBT 仿真折中曲線 o 仿真表明，在正向壓降和關(guān)段損耗折中關(guān)系上，漂移層載流子壽命較長(zhǎng)的SiC IGBT有優(yōu)于漂移層載流子壽命較短的S

7、iC IGBT。 電力電子系統(tǒng) 要求SiC IGBT必須具有可靠的關(guān)斷能力。IGBT在關(guān)斷瞬間基本失效機(jī)理：動(dòng)態(tài)雪崩擊穿（或雪崩注入）15kV SiC IGBT的靜態(tài)雪崩擊穿，動(dòng)態(tài)雪崩擊穿起始線 SiC IGBT綜合了功耗低和開關(guān)速度快特點(diǎn)，具有高可靠的關(guān)斷能力，使他們更適合在高壓電力電子領(lǐng)域中。4、基于15kV SiC IGBT的固態(tài)變壓器o 固態(tài)變壓器（SST） 不僅是變壓器 , 而且是故障電流限制器、無功功率補(bǔ)償器和電壓暫降恢復(fù)器。 這些優(yōu)點(diǎn)使固態(tài)變壓器在未來電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。功率變換的三個(gè)環(huán)節(jié)o第一環(huán)節(jié): AC/DC整流器 將7kV單相交流電換成10kV直流電。o第二環(huán)節(jié)

8、: 高頻DC/DC變換器 將10kV DC變換為400V DC。它是由高壓H橋電路、低壓H橋電路和中間高頻變壓器構(gòu)成。 (軟開關(guān)技術(shù)可提高SiC IGBT和DC/DC變換器的開關(guān)頻率。)o第三環(huán)節(jié): 電壓源逆變器 將400VDC變換為60Hz、士120V的交流電。整流器和初級(jí)DC/DC變換器選用了15kV/2A SiC IGBT。固態(tài)變壓器的關(guān)鍵o通過提高DC/DC變換器的工作頻率,來實(shí)現(xiàn)相比常規(guī)變壓器體積減少、重量變輕的目標(biāo),從而大大減少無源器件的尺寸和重量。相比傳統(tǒng)60Hz變壓器體積減少3倍的 2.7-MVA固態(tài)變壓器CAD繪圖 未來的發(fā)配電系統(tǒng)很可能由許多分布式再生能源和電網(wǎng)組成。通過新型配電設(shè)施或能源聯(lián)網(wǎng),發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)都可以與電網(wǎng)或微電網(wǎng)互連。 能源互聯(lián)網(wǎng)具有能量雙向流動(dòng)控制能力,使得它能夠提供重要的即插即用功能,并能使系統(tǒng)與用戶故障端達(dá)到隔離。能源互聯(lián)網(wǎng)需用先進(jìn)的高壓、高頻和高溫工作能力的功率半導(dǎo)體器件。 SiC IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中壓牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)配電系統(tǒng)