高压碳化硅IGBT器件的电学特性

借助计算机辅助设计技术(TCAD)仿真并结合基础物理建模,对SiC n和p沟道IGBT器件的电学特性进行比较研究。研究表明,在小电流密度下,n-IGBT电导调制效应较强,并具有较低的通态压降。而在较大的正向偏置电压下,p-IGBT背部的n^(+)注入层的正向载流子注入增强,从而使得p-IGBT导通电流较大。相比较npn晶体管而言,由于n-IGBT内部pnp晶体管的电流增益较低,关断过程中载流子的抽取电流较高,耗尽层扩展速度较快,使得其关断时间较短,因而n-IGBT在动态关断能耗和正向导通压降之间具有较好的折中关系。但n-IGBT关断过程中电压变化率(dv/dt)、电流变化率(di/dt)值较高,特别是发生电压穿通现象过后。因此,应对n-IGBT电磁干扰(EMI)抑制的器件设计技术加以重视。

智能电网用高功率密度1500A/3300V绝缘栅双极晶体管模块

基于双扩散金属氧化物半导体(diffused metal-oxide semiconductor,DMOS)元胞设计技术,针对智能电网的需求,引入"电子注入增强"以及台面栅技术,优化了3 300 V绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片的整体性能。基于该芯片制造出的1 500 A/3 300 V高功率密度IGBT模块,相对于优化前其额定电流从1 200 A上升到了1 500 A(上升了25%),同时导通压降从2.8 V下降到了2.4 V(下降了14%),最高工作结温从125℃提升到150℃。反偏安全工作区(reverse biased safe operation area,RBSOA)与短路安全工作区(short-circuit safe operation area,SCSOA)测试显示,该模块能在集电极电压为2 000 V的情况下关断3 000 A的电流,并且在栅电压为15 V、集电极电压为2 000 V的短路条件下的安全工作时间超过10?s。测试结果显示,该模块导通压降及开关损耗性能与同类型国际主流产品相当。

东北电网500kV人工三相接地短路试验总结

东北与华北联网后东北电网动态特性明显恶化、稳定水平大幅度下降,不同发电机和负荷模型对稳定计算的结果影响很大。虽然采取了计及励磁系统动态行为的详细发电机模型的仿真方法、在东北电网重要发电机组上加装电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS)等措施,但PSS参数整定的合理性及整体匹配效果无法得到有效验证,选择电力系统模型尤其是负荷模型还缺乏足够科学依据,对所选模型与电网运行实际的贴近程度也很难做出准确的定量甚至定性的分析。为此东北电网有限公司提出了大区电网联网模式下东北电网稳定水平研究的工作思路,并于2004年3月25日和2005年3月29日在500kV电压等级运行电网上分别实施了2次人工三相完全金属性接地短路试验。试验达到了预期效果,表明根据大扰动试验的实测数据,进行电网负荷模型的校核和修正,建立适用于我国电网的负荷模型的技术路线和研究方法在工程上是可行的和有效的。

新型无损IGBT短路耐性测试电路

为保护绝缘栅双极晶体管(IGBT)测试电路及芯片失效信息,提出了一种新型的无损IGBT短路安全工作区测试电路,可以在器件测试时根据测试电流、电压波形特征,自动识别IGBT是否发生失效。一旦被测器件在测试过程中发生失效,测试电路能够立即自动将电流旁路,保护芯片表面不受二次大电流破坏,进而保护芯片失效信息,为芯片的失效分析提供依据。根据设计搭建了测试保护电路,并进行实验比较。通过分析对比失效IGBT模块及芯片内部结构,发现该新型测试电路能在IGBT失效后,保护被测IGBT芯片不被进一步破坏,为失效分析提供充分依据。

特高压直流闭锁后的交直流混联受端电网最优切负荷方案

交直流混联受端电网中大容量特高压直流(UHVDC)输电线路发生直流闭锁故障后,电网会产生巨大功率缺额,引起潮流大幅度转移和频率跌落,可能会造成交流通道过载,引发连锁故障。针对这一问题提出了一种交直流混联受端电网最优切负荷方案计算方法。该方法基于广域测量技术,利用直流闭锁后瞬间量测数据,建立闭锁后稳态时交流通道传输功率和电网频率的估算模型,考虑交流通道传输功率极限、电网频率安全约束及可切负荷的重要性差异,以负荷综合损失最小为目标,建立最优切负荷方案的优化模型。通过改进的粒子群优化(PSO)算法求解得到电网最优切负荷点及其对应的最优切负荷量,保证了直流通道闭锁之后,交直流混联受端电网的安全稳定运行。最后在机电暂态软件PSS/E中以IEEE 39节点改进系统为例,通过仿真分析对所提方法进行对比验证,证明了该方法的正确性和有效性。

750kV凤凰片区短路电流分析及抑制措施

由于大量大容量机组集中接入以及网架结构的不断加强,导致系统短路电流水平不断上升,750 k V凤凰片区短路电流已经超出断路器的遮断电流(50 k A),运行方式难以安排。随着后续机组不断接入,短路电流问题更加突出,短路电流超标已成为困扰电网安全稳定运行的关键问题。因此以750 k V凤凰片区短路电流现状为基础,结合规划网架结构,分阶段对凤凰片区短路电流水平进行计算,分析各工程对凤凰片区短路电流的影响大小。同时分别从调整运行方式、加装中性点小电抗、改变中性点接地方式等几方面对限制凤凰片区短路电流进行计算分析,并得出相应的结论,为凤凰片区运行方式安排以及后续的电网规划和电网建设项目可行性研究工作提供了重要的参考。

山西北部500kV电网短路电流限制措施研究

近年来,随着山西省内电力系统的快速发展,逐渐形成了以500k V为主要电压等级的"三纵四横"坚强电网格局。电网规模的逐年扩大及其构架的日益复杂,在加强电网的同时,也使得短路电流水平逐年攀升,局部电网尤其是山西北部500k V电网的短路电流水平超标已成为一个突出问题,影响到电力系统运行的可靠性。基于此,本文从研究局部电网的短路电流超标问题出发,拟利用几种不同的措施来限制降低短路电流水平,相关的研究结论可以为电网的安全稳定运行提供一定的借鉴意义。

一种高侧功率开关的输出短路保护电路

提出了一种智能高侧功率开关的短路保护电路,包括输出短路检测电路、延时信号产生电路和栅源电压限制电路。采用NMOS管用作功率管,使电路短路时仍处于安全工作区内,提升了高侧功率开关的可靠性。采用0.6μm HV SOI工艺对该短路保护电路进行了仿真验证。仿真结果表明,在硬开关故障和负载短路两种情况下,功率管保持处于安全工作区内。

逆变弧焊电源IGBT模块的设计和选型

影响逆变弧焊机可靠性的因素很多,开关元器件(如IGBT)的选型设计是其中的关键。根据实践经验,通过分析IGBT的结构特点、参数选择、缓冲电路、保护方法、散热设计、工作环境和保管运输等方面,阐述了IGBT在实际使用过程中可能造成损坏的原因;详细介绍了逆变弧焊机IGBT模块的选型设计原则和注意事项;重点给出了IGBT模块安全工作区和温升的设计原则及测试方法。实际应用结果表明,这些方法和途径十分有效,提高了逆变弧焊机的可靠性。

大功率晶体管的驱动电路

本文介绍了为异步电动机 PWM 变频调速系统而研制的 GTR 基极驱动电路。介绍了 GTR 的主要开关特性,讨论了功率晶体管对基极驱动电路的理想化要求,提出了具有自动保护和自动调节功能的改进型基极驱动电路,分析了新型驱动电路的工作原理。

从产生火烧连营事故谈电网继电保护原理的问题

针对母线短路保护拒动和动作时间太长引起电站火烧连营事故,从高压电网的短路保护方式/保护整定时间/电流/灵敏度/选择性等方面,定量分析了目前继电保护原理以变压器后备过流保护作为短路主保护所存在的问题和症结。理出了应以瞬时速断为短路主保护,以短延时速断为短路后备保护,依据额定电流来整定消除保护死区,并举例说明。比目前国内外采用的三种母线短路保护方式都要简单经济和实用。

高压IGBT宽安全工作区设计

基于现有工艺平台开发了一款具有宽安全工作区的高压IGBT芯片。该芯片元胞采用场截止结构、载流子增强技术结合背面激光退火工艺降低器件饱和电压,通过优化载流子存储层的掺杂分布,结合背面透明集电极的增益优化,降低器件雪崩风险,提高器件的安全工作区。经流片测试结果显示饱和电压2.6 V,芯片在125°C温度下可实现5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在30μs内安全关断,具有宽安全工作区水平,实现饱和电压、关断损耗和安全工作区的折衷。

漏电低短路能力强的3300V IGBT模块

为实现满足电网应用要求的短路能力强、反向偏置安全工作区大、工作结温高的3300 V高压绝缘栅场效应晶体管模块,提出了一种具有N型增强层的IGBT元胞结构,采用P型隔离区的元胞布局结构和台阶形场板的保护环结构的IGBT设计。基于203.2 mm(8英寸)平面栅IGBT加工工艺,制作出的芯片封装成3300 V/1500 A的IGBT模块。模块常温下的饱和压降(VCEsat)为2.55 V,动态总损耗(Etot)为5236 mJ;高温150℃下的VCEsat为3.3 V,集电极和发射极间的漏电流(ICES)只有38 mA,Etot为7157 mJ。在常温时,当栅极和发射极电压(VGE)为18.5 V的条件下,模块通过了一类短路测试。在150℃下,模块通过了2.5倍额定电流的反向偏置关断测试。

具有宽安全工作区的压接式IGBT芯片研制

针对柔性直流输电关键装备高压直流断路器的特殊需求,基于现有工艺平台开发了一款宽安全工作区的3 300V/50A压接式IGBT芯片。为降低2~4 ms过电流冲击过程中的芯片温升,纵向采用非穿通结构。同时,采用阶梯栅氧结构,引入第二雪崩区,降低动态闩锁发生的风险,提高器件的安全工作区。为适用于压接封装,开发了厚金属电极工艺,实现对压力的缓冲。将此结构流片验证,并进行模块级测试,芯片可在1 800V电压下达到6.5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在20μs内安全关断,具有宽安全工作区水平。

低导通损耗宽安全工作区4500V IGBT器件研制

基于"U"形增强型双扩散金属氧化物半导体(DMOS+)平面元胞、增强型受控缓冲层(CPT+)技术及结终端扩展(JTE)终端结构,通过引入载流子存储层、优化背面缓冲层及背面集电极结构,开发出低导通损耗、高关断能力及宽短路安全工作区的4 500 V IGBT芯片。高温测试(Tj=125℃)结果表明,该4 500 V IGBT的导通压降(Vceon)为3 V,能够关断6.75倍额定电流,并通过了Vgeon=21.5 V、tsc=15μs的极限短路测试;4 500 V/1 200 A IGBT模块的最高工作结温Tj达150℃。

大规模新能源接入对云南电网短路电流影响分析

针对2022年云南大规模新能源规划的投产需要,结合当前电网短路电流较高的突出问题,开展新能源规划投产前后短路电流的对比分析,研究新能源接入对短路点短路电流的具体影响,并对短路电流不满足安全运行要求的场站提出合理的限制措施,以保障新能源接入下的电网安全稳定运行。

基于宽频振荡稳定约束的风电接入容量分析

风电的大规模接入可能引发严重的宽频振荡。宽频振荡与风电场的容量、接入点阻抗以及机组的运行工况等密切相关。文章采用阻抗模型方法分析风电并网系统的宽频振荡特性,明确宽频振荡约束下的风电接入容量与电网阻抗之间的关系。首先,建立了风电机组的全工况阻抗模型,该模型以风电机组端口工频电压和输出电流为变量;然后,基于全工况阻抗模型分析了风电机组输出功率、接入点短路比等对风电并网系统宽频振荡的影响;进而,分析了风电场容量与接入点之间的关系,为风电场的建设和运行提供参考;最后,通过时域仿真验证了全工况阻抗模型分析结果的准确性。结果表明,基于全工况阻抗模型可以确定在不同电网条件下考虑宽频振荡稳定时风电场的最大接入容量。

一种基于系统安全工作区的变换器保护策略

为了解决电力电子装置的可持续运行能力和可靠性之间的矛盾,提出了一种基于系统安全工作区的变换器保护策略,通过对半导体器件特性、主电路结构参数、控制信号延迟和系统温度的量化分析推导了系统安全工作区的数学模型。该策略在量化考虑变换器中的各系统元素之间关系的基础上,不仅能够保障变换器不受损伤或损坏,还能够准确计算系统的保护阈值,提高半导体器件的利用率和变换器的可持续运行能力,成为能够保障变换器可靠性的重要工具。该方法同样适用于其他类型变换器的保护设计。给出了应用该方法设计变换器保护策略的实例,采用实验的方法验证了该方法的有效性。