关于15kV-SiC-IGBT的发展及其对电力应用的影响

智能电网技术——关于15kVSiCIGBT的发展及其对电力应用的影响姓名：何家专业：控制工程学号：16851928纲要Si功率半导体器件的发展历程SiCIGBT的优势15-kVSiCIGBT的设计与优化基于15kVSiCIGBT的固态变压器1、Si功率半导体器件的发展历程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。第二代——功率MOSFET。MOSFET可以在更高的频率下(100kHz以上)实现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多的安全工作区。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电压容量一般在6.5kV以下频率在1kHz以下不能应用于温度高于125℃的系统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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。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率，限制了器件的最高工作温度(200℃)及最大功率。2、SiCIGBT的优点击穿电场特别强，是Si的5-10倍禁带宽度是Si的3倍电子饱和漂移速度是Si的2倍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。SiCIGBT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，SiCMOSFET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SiCIGBT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15KVSiCN沟道IGBT功率处理容量和转换频率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)。SiCIGBT对电力应用产生的影响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SiCIGBT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。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SiCIGBT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-kVSiCIGBT的设计与优化15-kVN沟道4H-SiCIGBT的半单元截面图P+发射极层是第一个外延层n型底部缓冲层（场塞）n-漂移层n型电流增强层（CEL）高温下15kVSiCIGBT和MOSFET的仿真正向电流-电压曲线仿真研究表明，在集电极电流密度为30A/cm时，15kVSiCIGBT能达到6.2V的正向压降，室温下漂流层双极性载流子寿命1.2us以及温度400K时正向压降为5V。改善SiCIGBT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-kVSICIGBT中，采用底部缓冲层（场塞）。漂移层的电导调制效应的程度和SICIGBT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SICIGBT的正向压降和关断损耗折中关系的另一种设想是调整SICIGBT的n-漂移层的载流子寿命。15kVSiCIGBT仿真折中曲线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SiCIGBT有优于漂移层载流子寿命较短的SiCIGBT。电力电子系统要求SiCIGBT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）15kVSiCIGBT的静态雪崩击穿，动态雪崩击穿起始线SiCIGBT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15kVSiCIGBT的固态变压器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第一环节:AC/DC整流器将7kV单相交流电换成10kV直流电。第二环节:高频DC/DC变换器将10kVDC变换为400VDC。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SiCIGBT和DC/DC变换器的开关频率。)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/2ASiCIGBT。固态变压器的关键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。SiCIGBT已经广泛应用于中压牵引电机的驱动和传统配电系统。由于SiC材料的优越性能，作为有广泛应用前景的后硅器件，能够突破硅材料的理论局限。大量研究表明，15kVSiCIGBT与Si器件相比，具有功耗低、开关速度快和关断可靠等优点。因此，在未来电力电子应用中，高压SiCIGBT是一项具有应用前景的技术。结论谢谢！