關于15kV-SiC-IGBT的發(fā)展及其對電力應用的影響

1、 智能電網(wǎng)技術智能電網(wǎng)技術關于關于15kV SiC IGBT15kV SiC IGBT的發(fā)展及其對的發(fā)展及其對 電力應用的影響電力應用的影響姓名：何家 專業(yè)：控制工程 學號：16851928綱要o Si功率半導體器件的發(fā)展歷程o SiC IGBT的優(yōu)勢o 15-kV SiC IGBT的設計與優(yōu)化o 基于15kV SiC IGBT的固態(tài)變壓器1、Si功率半導體器件的發(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。 功率晶閘管用來實現(xiàn)大容量的電流控制，在低頻相位控制領域中已得到廣泛應用。o 第二代功率MOSFET。 MOSFET可以在更高的頻率下(100kHz以上)實現(xiàn)開

2、關工作，同時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合功率半導體器件，兼有功率MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點。自1982年由美國GE公司提出以來，發(fā)展十分迅速。Si材料的缺點o 電壓容量一般在6.5kV以下o 頻率在1kHz以下o 不能應用于溫度高于125的系統(tǒng)o 大部分Si晶體電力設備沒有制冷系統(tǒng)和 緩沖器Si功率半導體器件的缺點o Si較低的臨界擊穿場強Ec，限制了器件的最高工作電壓以及導通電阻，受限制的導通電阻使Si功率半導體器件的開關損耗難以達到理想狀態(tài)。o Si較小的禁帶寬度Eg及較低的熱導率，限

3、制了器件的最高工作溫度(200)及最大功率。o 擊穿電場特別強，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設備的發(fā)展，阻斷電壓和運行結溫也隨之升高，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的設備。而SiC IGBT技術優(yōu)越的通態(tài)特性，快速轉(zhuǎn)換速度和良好的的安全運轉(zhuǎn)區(qū)域（SOA），使得它對于阻斷電壓在15-25KV的高壓電力設備非常具有發(fā)展?jié)摿?。計?5KV SiC N溝道IGBT

4、功率處理容量和轉(zhuǎn)換頻率o 轉(zhuǎn)換設備的功率密度處理能力(Sd)表示為正常運行時的電流密度(Jdc)與阻斷電壓的乘積(BV)。 SiC IGBT對電力應用產(chǎn)生的影響o 將不可能變成可能 例如，固態(tài)變壓器（SST）的觀點取代了傳統(tǒng)的60Hz分布式變壓器雖然SST有很多優(yōu)點，比如重量輕，體積小，整功率因數(shù)等，但是由于硅晶體半導體設備的轉(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又將會成為事實，就像20世紀70年代和80年代，開關式電源取代60Hz變壓器成為功率轉(zhuǎn)換的標準。 o 將會大大的改變現(xiàn)有的以電力電子裝置為基礎的電力應用設備，特別

5、是交流輸電系統(tǒng)（FACTS） 例如，傳統(tǒng)的高壓靜態(tài)同步補償器（STATCOM）依賴多種拓撲結構或一系列連接設備來耐高壓。而高壓SiC IGBT大大的簡化了STATCOM的結構，同時，高轉(zhuǎn)換頻率改善了電能質(zhì)量。3、15-kV SiC IGBT 的設計與優(yōu)化15-kV N溝道4H-SiC IGBT的半單元截面圖o P+發(fā)射極層是第一個外延層 o n型底部緩沖層（場塞）o n-漂移層 o n型電流增強層（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，15kV SiC IGBT能達到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時正向壓降為5V。 o改善SiC IGBT的正向壓降與關斷損耗折中關系的一種設想是采用穿通結構，降低漂移層厚度。在本設計的15-kV SIC IGBT中，采用底部緩沖層（場塞）。o漂移層的電導調(diào)制效應的程度和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的正向壓降和關斷損耗折中關系的另一種設想是調(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，在正向壓降和關段損耗折中關系上，漂移層載流子壽命較長的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必須具有可靠的關斷能力。IGBT在關斷瞬間基本失效機理：動態(tài)雪崩擊穿（或雪崩注入）15kV SiC IGBT的靜態(tài)雪崩擊穿，動態(tài)雪崩擊穿起始線 SiC IGBT綜合了功耗低和開關速度快特點，具有高可靠的關斷能力，使他們更適合在高壓電力電子領域中。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、無功功率補償器和電壓暫降恢復器。 這些優(yōu)點使固態(tài)變壓器在未來電力電子領域具有廣泛的應用前景。功率變換的三個環(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成。 (軟開關技術可提高SiC IGBT和DC/DC變換器的開關頻率。)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DC/DC變換器選用了15kV/2A SiC IGBT。固態(tài)變壓器的關鍵o通過提高DC/DC變換器的工作頻率,來實現(xiàn)相比常規(guī)變壓器體積減少、重量變輕的目標,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。通過新型配電設施或能源聯(lián)網(wǎng),發(fā)電和儲能系統(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)與用戶故障端達到隔離。能源互聯(lián)網(wǎng)需用先進的高壓、高頻和高溫工作能力的功率半導體器件。 SiC IGBT已經(jīng)廣泛應用于中壓牽引電機的驅(qū)動和傳統(tǒng)配電系統(tǒng)