关于15kV-SiC-IGBT的发展及其对电力应用的影响

1、 智能电网技术智能电网技术关于关于15kV SiC IGBT15kV SiC IGBT的发展及其对的发展及其对 电力应用的影响电力应用的影响姓名：何家 专业：控制工程 学号：16851928纲要o Si功率半导体器件的发展历程o SiC IGBT的优势o 15-kV SiC IGBT的设计与优化o 基于15kV SiC IGBT的固态变压器1、Si功率半导体器件的发展历程o 第一代Si双极晶体管(BJT)、晶闸管(SCR)及其派生器件。 功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领域中已得到广泛应用。o 第二代功率MOSFET。 MOSFET可以在更高的频率下(100kHz以上)实现开

2、关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多的安全工作区。o 第三代绝缘栅双极晶体管(IGBT) 它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率半导体器件，兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。Si材料的缺点o 电压容量一般在6.5kV以下o 频率在1kHz以下o 不能应用于温度高于125的系统o 大部分Si晶体电力设备没有制冷系统和 缓冲器Si功率半导体器件的缺点o Si较低的临界击穿场强Ec，限制了器件的最高工作电压以及导通电阻，受限制的导通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理想状态。o Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率，限

3、制了器件的最高工作温度(200)及最大功率。o 击穿电场特别强，是Si的5-10倍o 禁带宽度是Si的3倍o 电子饱和漂移速度是Si的2倍o 热导率是Si的3倍 SiC器件能满足500以上温度工作的需要, 特别适于制作高频、高速、高压、高功率器件。 SiC IGBT的特性 随着高压SiC设备的发展，阻断电压和运行结温也随之升高，SiC MOSFET的通态电阻也大大增加了，这样它就不适用于电压高于15KV的设备。而SiC IGBT技术优越的通态特性，快速转换速度和良好的的安全运转区域（SOA），使得它对于阻断电压在15-25KV的高压电力设备非常具有发展潜力。计算15KV SiC N沟道IGBT

4、功率处理容量和转换频率o 转换设备的功率密度处理能力(Sd)表示为正常运行时的电流密度(Jdc)与阻断电压的乘积(BV)。 SiC IGBT对电力应用产生的影响o 将不可能变成可能 例如，固态变压器（SST）的观点取代了传统的60Hz分布式变压器虽然SST有很多优点，比如重量轻，体积小，整功率因数等，但是由于硅晶体半导体设备的转换频率已受到限制，SST已经没有发展空间 。可是随15kV,5kHz的转换频率SiC IGBT的发展，SST又将会成为事实，就像20世纪70年代和80年代，开关式电源取代60Hz变压器成为功率转换的标准。 o 将会大大的改变现有的以电力电子装置为基础的电力应用设备，特别

5、是交流输电系统（FACTS） 例如，传统的高压静态同步补偿器（STATCOM）依赖多种拓扑结构或一系列连接设备来耐高压。而高压SiC IGBT大大的简化了STATCOM的结构，同时，高转换频率改善了电能质量。3、15-kV SiC IGBT 的设计与优化15-kV N沟道4H-SiC IGBT的半单元截面图o P+发射极层是第一个外延层 o n型底部缓冲层（场塞）o n-漂移层 o n型电流增强层（CEL） 高温下15kV SiC IGBT和MOSFET的仿真正向电流-电压曲线o 仿真研究表明，在集电极电流密度为30A/cm时，15kV SiC IGBT能达到6.2V的正向压降，室温下漂流层双

6、极性载流子寿命1.2us以及温度400K时正向压降为5V。 o改善SiC IGBT的正向压降与关断损耗折中关系的一种设想是采用穿通结构，降低漂移层厚度。在本设计的15-kV SIC IGBT中，采用底部缓冲层（场塞）。o漂移层的电导调制效应的程度和SIC IGBT的内部PNP晶体管的电流增益，均受到漂移层双极型载流子寿命的影响。因此改善SIC IGBT的正向压降和关断损耗折中关系的另一种设想是调整SIC IGBT的n-漂移层的载流子寿命。 15kV SiC IGBT 仿真折中曲线 o 仿真表明，在正向压降和关段损耗折中关系上，漂移层载流子寿命较长的SiC IGBT有优于漂移层载流子寿命较短的S

7、iC IGBT。 电力电子系统 要求SiC IGBT必须具有可靠的关断能力。IGBT在关断瞬间基本失效机理：动态雪崩击穿（或雪崩注入）15kV SiC IGBT的静态雪崩击穿，动态雪崩击穿起始线 SiC IGBT综合了功耗低和开关速度快特点，具有高可靠的关断能力，使他们更适合在高压电力电子领域中。4、基于15kV SiC IGBT的固态变压器o 固态变压器（SST） 不仅是变压器 , 而且是故障电流限制器、无功功率补偿器和电压暂降恢复器。 这些优点使固态变压器在未来电力电子领域具有广泛的应用前景。功率变换的三个环节o第一环节: AC/DC整流器 将7kV单相交流电换成10kV直流电。o第二环节

8、: 高频DC/DC变换器 将10kV DC变换为400V DC。它是由高压H桥电路、低压H桥电路和中间高频变压器构成。 (软开关技术可提高SiC IGBT和DC/DC变换器的开关频率。)o第三环节: 电压源逆变器 将400VDC变换为60Hz、士120V的交流电。整流器和初级DC/DC变换器选用了15kV/2A SiC IGBT。固态变压器的关键o通过提高DC/DC变换器的工作频率,来实现相比常规变压器体积减少、重量变轻的目标,从而大大减少无源器件的尺寸和重量。相比传统60Hz变压器体积减少3倍的 2.7-MVA固态变压器CAD绘图 未来的发配电系统很可能由许多分布式再生能源和电网组成。通过新型配电设施或能源联网,发电和储能系统都可以与电网或微电网互连。 能源互联网具有能量双向流动控制能力,使得它能够提供重要的即插即用功能,并能使系统与用户故障端达到隔离。能源互联网需用先进的高压、高频和高温工作能力的功率半导体器件。 SiC IGBT已经广泛应用于中压牵引电机的驱动和传统配电系统