电力系统及其自动化新技术课程报告题目智能电网技术专业电力

电力系统及其自动化新技术课程报告题 目 智能电网技术 专 业 电力系统及其自动化 班 级 研1015 学 生 杨晓玲 学 号 2011 年智能电网技术-关于15kV SiC IGBT的发展及其对电力应用的影响摘要： 虽然硅晶体电力设备应用于电力电子工业已经有50多年，但是以硅为基础的技术在功率处理和频率转换方面已受到限制。SiC有着击穿电场特别强，电子饱和漂移速度快，热导率高，耐高温等优势，特别适于制作高频、高速、高压、高功率器件。本文详细介绍了具有高压高频耐高温的SiC IGBT的出现将会对电力应用产生巨大的影响，并着重介绍了基于15kV SiC IGBT的固态变压器的优点。引言Si功率半导体器件的发展经历了如下三代1：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。但是，由于这类器件的工作频率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在栅关断速度要求较低的场合(在kHz范围)。在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益P值一般也只能做到l0，器件需要相当大的基极驱动电流。此外，BJT的工作电流密度也相对较低(50A/cm2)，器件的并联使用困难，同时其安全工作区(SOA)还受到负阻引起的二次击穿的限制。第二代功率MOSFET。MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控电流极小(IG100nA数晕级)。MOSFET是多子器件，因而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。正是因为这些优点，使功率MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成大量产品，并在实际中得到广泛的应用。但是，功率MOSFET的导通电阻以至于跨导gm比双极器件以更快的速率随击穿电压增加而变坏，这使它们在高压工作范围处于劣势。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。商用的高压大电流1GBT器件仍在发展中，尽管德国的EUPEC生产的6500V600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，但其电压和电流容量还不能完全满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压达到10kV以上，目前只能通过IGBT串联等技术来实现。1、SiC IGBT的优势SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料，与第一，二代半导体材料Si和GaAs相比，SiC材料及器件具有以下优势：(1)SiC的禁带宽度大(是Si的3倍，GaAs的2倍)，本征温度高，由此SiC功率半导体器件的工作温度可以高达600。(2)SiC的击穿场强高(是Si的10倍，GaAs的7倍)，SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高得多；由于功率半导体器件的导通电阻同材料击穿电场的立方成反比，因此SiC功率半导体器件的导通电阻比s i的同类器件的导通电阻低得多，结果其开关损耗便小得多。(3)SIC的热导率高(是Si的2.5倍，GaAs的8倍)，饱和电子漂移速率高(是si及GaAs的2倍)，适合于高温高频大功率工作。SiC同Si一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长热Si02，由此可以同Si一样，采用平面工艺制作各种SiC MOS相关的器件，包括各种功率SiC MOSFET及IGBT。与同属第三代半导体材料的ZnO，GaN等相比，Sic已经实现了大尺寸高质量的商用衬底，以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料，它们为Sic功率半导体器件的产业化奠定了良好的基础。如上所述，尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的发展取得了令人瞩目的成绩，但是由于Si材料存在难以克服的缺点，它们使Si功率半导体器件的发展受到极大的限制。首先，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及较低的热导率入，限制了器件的最高工作温度(200)及最大功率。为了满足不断发展的电力电子工业的需求，以及更好地适应节能节电的大政方针，显然需要发展新半导体材料的功率器件。IGBT的新发展方向之一是SiC IGBT【2】。具有高压高频耐高温的SiC IGBT的出现将会对电力应用产生巨大的影响，首先，以前认为不切实际的观念现在已经成为可能，例如，固态变压器（SST）的观点取代了传统的60HZ分布式变压器。固态变压器的不仅是一台变压器，而且故障电流限制器，一个无功补偿器，并凹陷恢复。这些优点使固态变压器非常有希望应用在未来的动力系统中。虽然SST有很多优点，比如重量轻，体积小，整功率因数等，但是现在SST已经没有发展空间，因为硅晶体半导体设备的转换频率已受到限制。随着15KV,5KHZ的转换频率SiC IGBT的发展，SST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。固态变压器关键是减小传统变压器的大小和重量。这要通过增加的DC - DC转换器的工作频率，使被动元件尺寸和重量可以大大减少体积和重量来实现。为了和传统的变压器的大小和重量做比较，提出2.7MVA 固态变压器应用在10KV碳化硅MOSFET技术。其次，它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（STATCOMS）依赖多种拓扑结构或一系列连接设备来耐高压。高压SiC IGBT大大的简化了STATCOM的结构，同时，高转换频率改善了功率质量。有效利用风能太阳能等可再生能源发电，以后就会需要的变压器STATCOM就不多了。由于后硅设备具有可控性，SIC IGBT（正在开发中）适合这些应用，这些应用具有低损耗，开关速度快，耐用的切换能力和高温性。在这篇文章中，对15kVN沟道SIC IGBT进行了设计和优化，以及讨论SST应用实例中SIC IGBT对实际应用的实质影响。2、15-kV SIC IGBT 的设计与优化图1给出了15-kV N沟道4H-SIC IGBT的半单元截面图。4H-SIC n+衬底上生长有外延层。厚3um、1*1019cm-3掺杂的p+发射极层是第一个外延层。其后是n型底部缓冲层（场塞），厚5um，掺杂浓度1*1017cm-3，可以防止场击穿，同时实现了较好的性能这种。IGBT的n-漂移层厚150m，掺杂浓度4.5*1014cm-3，用来阻断5kV电压。生长在漂移层地步的厚3m、重掺杂n型电流增强层（CEL）用来减低JFET区的阻抗，并且增强漂移层在导电状态下的传导率。4H-SIC外延层生长之后，n+衬底用化学机械抛光（CMP）进行移除。p阱和铝一起被植入0.5m。n+阱与p+阱接触，将选择性地分别植入氮和铝。通过电子束摄影可以确定沟道长度为0.7m。晶胞中两个p阱区之间的JFET区的宽度为5m。门极氧化层厚度约为500A【3】。接着，5000nm的多晶硅层将退化掺杂形成门电极，并通过反应离子干法刻蚀（RIE）形成图案。铝镍触点堆积成为p型欧姆金属，镍作为发射机的n型欧姆金属。然后镍的背面触点将堆积成集电极。铝和金属表层将分别在前面和后面进行堆积。图1 15kV SIC IGBT 结构示意图图2 15kV SIC IGBT与MOSFET的仿真正向I-V曲线图2给出了高温下15kV碳化硅IGBT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/cm2时，15kV碳化硅IGBT能达到6.2V的正向压降，室温下漂流层双极性载流子寿命1.2s以及温度400K时正向压降为5V。与15kV碳化硅MOSFET相比，碳化硅IGBT表现出了更好的导通特性，特别是在高温和大电流密度情况下。图3 15kV SIC IGBT仿真开关波形碳化硅IGBT的关断特性进行了仿真，电路为钳位的感性负载，其中cm2器件通30A负载电流、直流母线电压10kV、外部门极电阻5。图3给出了碳化硅IGBT的仿真开关波形。在dV/dt为48kV/s、di/dt为2.1kA/s时，碳化硅IGBT的关断时间为360ns。它的关断能量损耗密度是34mJ/cm2，采用传统热管理技术即可使满足5kHz的开关应用。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透结构，降低漂移层厚度。在本设计的15-kV SIC IGBT中，采用图1所示的底部缓冲层（场塞）。为研究缓冲层的掺杂浓度与厚度的效果，进行了二位数字仿真。图4中曲线A给出了室温下15-kV SIC IGBT 30A/cm2时正向压降与关断损耗的折中曲线。当漂移层的载流子寿命为1.2s以及缓冲区的电荷密度为5*1013cm-3时，随着缓冲层厚度的增加，IGBT的关断损耗减小，而正向压降将增大。在开关频率为5kHz、占空比为0.5时，厚度为5um、掺杂浓度为1*1017cm-3的缓冲层可以获得良好的折中性能【4】。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透结构，降低漂移层厚度。在本设计的15-kV SIC IGBT中，采用图3所示的底部缓冲层（场塞）。为研究缓冲层的掺杂浓度与厚度的效果，进行了二位数字仿真。图4中曲线A给出了室温下15-kV SIC IGBT 30A/cm2时正向压降与关断损耗的折中曲线。当漂移层的载流子寿命为1.2s以及缓冲区的电荷密度为5*1013cm-3时，随着缓冲层厚度的增加，IGBT的关断损耗减小，而正向压降将增大。在开关频率为5kHz、占空比为0.5时，厚度为5um、掺杂浓度为1*1017cm-3的缓冲层可以获得良好的折中性能。图4 15kV SIC IGBT 仿真折中曲线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。灭国Cree公司的外严惩厚度增长基数，通常可以生产载流子寿命为300ns至2us范围的材料。为研究漂移区载流子寿命对15-kV SIC IGBT折中性能的影响，进行了二位数字仿真。当缓冲层的厚度为5m、掺杂浓度为1*1017cm-3时，在不同的漂移层载流子寿命的条件下，图6中曲线B给出了15-kV SIC IGBT关断损耗与正向压降的仿真曲线。仿真表明，在正向压降和算段损耗折中关系上，漂移层载流子寿命较长的SIG IGBT有优于漂移层载流子寿命较短的SIC IGBT。对于从低电离化P+发射机区的地注入效率的IGBT，因为内部PNP晶体管的电流增益决定于重掺杂浓度的缓冲层，使得在寿命较短器件的缓冲有一些复合电流退出，器件折中性能的综合效果较差。因此，随着4H-SIC外延层厚度增长技术的改进，4H-SIC外延层载流子寿命的增加会进一步提高15-kV SIC IGBT的开关频率。SiC IGBT的强大的关断能力是需要应用在电力电子系统。动态雪崩击穿（或瞬间注入）是IGBT关断瞬间失效的原因。使用的4H - SiC的经验参数，15-kV SiC电压动态雪崩崩溃发生图5所示。SiC IGBT发生动态崩溃点的功率密度约为7 mW/cm2，这比高电压硅器件的理论值超过了20倍。该动态雪崩击穿和关断I-V轨迹曲线在一个正常的运行状态发生的对比表明碳化硅IGBT具有强大的关断功能。结合了开关损耗低，速度快的优势，SiC IGBT强大的关断能力，使他们更适合在高电压电力电子当中应用。图5 15kV SiC IGBT的静态雪崩击穿，动态雪崩击穿起始线及其典型的关断电流-电压轨迹曲线的比较3、总结在未来的发电和配电系统中，很可能涉及更多可再生能源资源和电网的分布。电力发电和存储互连或微电网并网，需通过一个新的能源分配和能源网络。能源互联网将具有双向的能量流的控制能力，使其能够提供重要的即插即用功能和隔离故障的用户端系统。对于具有高电压，高频和高温操作能力的大功率半导体器件的需求是能源互联网所必需的。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。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 ，15kV SiC IGBT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SiC IGBT 是一项具有应用前景的技术。4、名词解释1、 固态变压器固态变压器又称电力电子变压器（Electronic Power Transformer，EPT），是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。与常规变压器相比，EPT有很多优点，其突出特点在于可以实现原方电流、副方电压以及功率的灵活控制。EPT应用于电力系统后将会改善电能质量，提高系统稳定性，实现灵活的输电方式以及电力市场下对功率潮流的实时控制。2、 禁带宽度禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。3、 软开关技术 软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。 当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM 技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM 工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。5、我的见解SiC电力设备可以处理3倍多的功率，同时转换速度比传统的快几倍。在高频率运行时大量功率的损失导致自身发热，使得运行温度更高（大约在225 左右 ），所以功率处理和频率转换能力随之提高。因此具有高压高频耐高温的SiC IGBT的出现将会对电力应