非对称型门极换流晶闸管阻断特性的设计与优化

分析了非对称型门极换流晶闸管(GCT)的结构和工作原理,提出了阻断特性的设计方法,并依此建立了非对称型GCT的结构模型;利用MEDICI软件对其正向IV特性和电场分布进行了模拟,分析了穿通型耐压结构的击穿机理,证实了设计的合理性;另外通过对GCT结构参数的优化,指出当n缓冲层的浓度为5×1016cm-3时,可获得比较理想的阻断特性。

模拟换流阀长期运行工况的高压大功率晶闸管电热联合老化系统研制

近年来国内多个直流换流站发生严重事故,经调查发现事故起因多为长时间运行的换流阀晶闸管发生不同程度的老化甚至绝缘能力丧失。掌握晶闸管参数退化规律是开展晶闸管运维监测、预防此类事故继续发生的基础。因此为了深入了解换流阀晶闸管老化过程中特性参数退化规律与老化机理,首先需要搭建试验所需的模拟换流阀运行过程的晶闸管老化试验装置。文中首先分析了换流阀晶闸管的实际运行工况,并基于此设计了晶闸管电热联合老化主电路,接着对电路中涉及到的控制单元,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动电路与晶闸管的触发电路进行设计与搭建,并基于晶闸管的实际运行工况设计了晶闸管结温控制系统。为了获得晶闸管老化过程中特性参数的退化规律,设计了晶闸管漏电流在线监测系统与反向恢复离线测量系统。经过检验,各个模块以及主电路均能够保持长期稳定运行,为换流阀晶闸管的老化试验打下了良好基础。

非对称型门极换流晶闸管的优化设计

根据半导体器件的设计特点和设计原则,对600 A/3 000 V非对称型门极换流晶闸管进行了结构参数的优化设计,得到了材料参数与结构参数的关系.阴极采用条状同心环单元发射极排列结构,不仅可以提高单元承受应力的能力,而且可使单元均匀性得到改善.应用数值分析,使器件的透明阳极和缓冲层等关键结构的掺杂分布、区域宽度以及少子寿命得到优化,计算结果满足设计的要求.

非对称型集成门极换流晶闸管(IGCT)在PISCES-2ET软件平台上器件模拟

运用PISCES-2ET软件对非对称型集成门极换流晶闸管进行器件模拟,给出了器件的杂质浓度、电子和空穴浓度和电势的二维和三维分布;通过模拟结果来验证设计是否合理,对下一步设计器件的物理参数和结构参数起到指导作用.

基于非对称IGCT的PWM整流器换流分析与试验

基于非对称集成门极换流晶闸管(IGCT)的脉宽调制(PWM)整流器具有可靠性高、导通损耗小和易于实现有功与无功解耦控制的优点,是高压输电线路直流融冰的新选择。针对非对称IGCT的PWM整流器,根据不同状态的换流阀承受电压,建立了整流器的等值分析电路。基于等值分析电路,开展了换流阀的换流分析,研究了存在的过电流关断电压峰值。在此基础上,提出了换流阀的参数设计方法,研制了基于IGCT的换流阀,搭建了过电流关断试验和串联均压试验的试验平台,开展了物理试验研究,结果表明,所设计的参数满足IGCT安全工作要求,而且具有良好的动态和静态均压效果。

IGCT门阴极换流路径杂散阻抗在线监测方法研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)换流路径杂散阻抗是评估其关断能力的重要参数,现有离线测量方法有诸多缺陷并且测试过程复杂,实时性差。该文主要针对IGCT换流路径杂散阻抗在线监测问题,结合IGCT关断过程,分析了换流路径杂散阻抗的构成;根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’s current law,KCL)、基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’s voltage law,KVL)推导了换流路径电压、电流方程,进而提出基于阴极集成印刷电路板(printed circuit board,PCB)式电流传感器的换流路径杂散参数在线监测方法;采用高速采集卡和LabVIEW软件,构建了测量系统;通过在高压、大电流加速老化测试平台上的实际测试,实现了mΩ级电阻与nH级电感的杂散阻抗准确提取,验证了在线监测方法的有效性。

新型IGCT直流输电换流阀运行试验研究及其等效性评估

换相失败问题(commutation failure,CF)是电网换相换流高压直流输电技术(line commutated converter high voltage directcurrent,LCC-HVDC)面临的固有难题。为了解决该问题,已有文献主要从拓扑结构、控制策略等方面着手,鲜见抵御换相失败的新型换流阀研制及试验研究。该文开展基于大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)的新型换流阀试验研究及试验等效性分析。首先,阐释新型换流阀抵御换相失败的原理,并针对新型换流阀不同的工作模式,提出对新型电力电子器件的需求。然后,利用现有的型式试验合成回路平台开展适用于传统晶闸管换流阀的运行试验,并分析试验结果,得出大部分试验项目等效性较好而小熄弧角试验和关断试验等效性较差的结论。最后,针对这两项特殊试验提出新的试验方法和试验电路,可为新型换流阀的研发和应用提供一定的技术基础。

多维因素综合作用下换流阀晶闸管载流子迁移恢复特性解析及关断机理研究

明确换流阀晶闸管在逆变侧交流故障期间的关断特性及关断机理对抑制换相失败十分必要。影响晶闸管关断的主要因素有正向电流、电流过零点下降率和结温等,为明确上述因素综合作用对晶闸管关断特性的影响机理,该文首先基于考虑器件物理特性的晶闸管详细关断模型研究其换相关断过程,搭建晶闸管换相关断等效电路;研究上述因素间的作用关系及综合作用下的晶闸管关断特性,并通过对载流子迁移恢复特性的解析,获得晶闸管换相关断过程中的恢复电荷迁移特征。最后,得到使晶闸管可靠关断的阻断能力恢复时间及换相结束时剩余电荷值,以阻断能力恢复时间、临界关断角等指标定量评价各因素综合作用对晶闸管关断特性的影响程度。结果表明,在相同的换相起始条件下,当故障导致正向电流增大时,不考虑多因素综合作用的晶闸管阻断能力恢复时间偏长,会对系统提出更高的关断要求;仅考虑正向电流和电流过零点下降率二者综合作用时阻断能力恢复时间偏短,会增加换相失败误判风险;考虑三种因素综合作用后所得到的晶闸管阻断能力恢复时间更加准确。

Bi-mode逆导门极换流晶闸管结构与特性研究

Bi-mode逆导门极换流晶闸管(BGCT)是为了改善传统逆导门极换流晶闸管(RC-GCT)电流均匀性和提高硅片有效面积利用率而提出的一种新结构。通过分析BGCT器件的版图布局结构,采用Sentaurus TCAD软件模拟并分析了BGCT、传统结构RC-GCT和IGCT传统功率器件的通态特性、正向阻断特性和关断特性,着重比较了RC-GCT与BGCT在400K温度下不同工作模式下特性差异。分析研究结果表明,BGCT器件能够改善RC-GCT器件的通态特性,提高硅片面积的利用率。

基于双层模型的可控电流源换流器损耗优化方法

逆阻型集成门极换流晶闸管是构建可控关断电流源型换流器(current source converter,CSC)的可行器件之一。在换流器运行过程中,损耗的产生使得器件芯片结温上升,从而限制了换流阀的运行能力,因此必须明确并优化CSC中器件结温情况。该文提出了系统性的损耗特性、约束条件,建立了损耗抑制的双层模型,并给出了求解方法。提出了缓冲电路和损耗分析的综合设计方法,对缓冲回路及杂散参数范围进行了研究,对比了优化后的CSC与传统直流和柔性直流换流阀的损耗。结果表明,基于该模型的计算参数,器件损耗为5.7kW,电阻损耗约为1.8kW,器件结温增量为38℃,CSC的损耗与系统占比为0.54%。

沟槽阻挡型阳极结构门极换流晶闸管特性研究

引入沟槽结构,提出一种改进型注入效率可控门极换流晶闸管。新结构采用沟槽型阻挡结构代替阳极表面平面型氧化薄层,实现对基区漂移电子阻挡和积累作用,保持了注入效率自调整效应,减小了平面型氧化阻挡层对阳极有效面积的影响。模拟结果表明,新结构器件实现了注入效率控制功能,增大了有效阳极接触面积并降低了通态压降;其沟槽宽度可调节注入效率和关断特性。

功率器件集成门极换流晶闸管关断特性研究

为深入研究IGCT的关断特性,该文基于实验结果,建立了IGCT关断过程中,流过IGCT电流的波形的数学模型,在此基础上进而提出用微分方程研究电路中IGCT关断特性的方法。为验证该方法的有效性,以建立的IGCT关断过程电流波形数学模型为基础。该文建立基于斩波电路的IGCT关断暂态特性的数学模型。该模型充分考虑IGCT阻容吸收回路、线路杂散电感及限流电抗器对IGCT关断暂态过电压的影响。数值仿真及试验结果表明,该模型能够较好地反映IGCT关断过程中的暂态特性。

±525kV/3000MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀研制

基于IGCT的柔性直流输电模块化多电平换流阀(MMC)具有低成本、低损耗、高可靠等潜在优势,在未来陆上大规模新能源送出以及深远海风电并网等应用中具有广阔的前景。在对比集成门极换流晶闸管(IGCT)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)两类功率器件技术性能基础上,介绍了±525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀的产品设计。依据IEC 62501标准,完成了IGCT-MMC换流阀产品的第三方见证试验。试验结果表明,所研制的IGCT-MMC换流阀产品技术性能符合设计要求。

基于逆阻IGCT的可控关断电流源型高压直流换流器电气应力和损耗特性分析

逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate-commutated thyristor,RB-IGCT)的出现,为可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)的研究奠定了基础。为了推动器件在高压直流输电领域的应用,文中首先介绍最新研制的4500V/3000A逆阻IGCT的技术参数;其次,介绍CSC拓扑方案,提出子模块缓冲电路,能够实现器件的动态均压和IGCT取能的要求;接着,以换流阀电压和电阻损耗最低为约束条件,给出子模块串联数、缓冲电路参数设计和损耗分析等综合优化方法;然后,搭建250kV/750MW的LCC-CSC混合输电系统模型,给出缓冲电路和主要杂散参数的范围;最后,基于研制的4500V/3000A的逆阻IGCT子模块,验证所提缓冲电路的有效性,并对比分析在该参数下CSC、传统直流和柔性直流的损耗情况。结果表明,由逆阻IGCT串联构成的CSC,相对于传统直流换流阀具有可控关断的技术优势,相对于柔直换流阀,具有器件少、损耗低等优势。

用晶闸管宏模型分析换流阀内电压分布特性

晶闸管器件性能和缓冲电路参数会影响换流阀内电压分布特性。在晶闸管断态情况下进行换流阀电路参数选择,其结果明显具有局限性。用考虑二次效应、温度特性和反向恢复过程的晶闸管宏模型,对换流阀内的一个晶闸管模块与饱和电抗器的串联电路进行了动态仿真,分析了晶闸管器件参数分散性和缓冲电路参数对换流阀内电压分布特性的影响;同时还考虑了换流器换流时换流阀内电压振荡特性。

集成门极换流晶闸管驱动电路的研究

根据集成门极换流晶闸管驱动电路基本逻辑功能的要求,提出应用电子设计自动化技术和复杂可编程逻辑器件芯片实现高可靠性、单片化、灵活设计的方案,设计出一种采用了硬驱动和集成门极技术的集成门极换流晶闸管门极驱动电路.该电路具有结构简单,开关速度快,可靠性高,增加保护电路和测试电路方便等优点.电路仿真结果表明,开通时门极电流可在2μs内迅速达到200A左右,关断时电流门极电流可在4μs内抽取400A左右,符合集成门极换流晶闸管开通和关断时的特性要求.

集成门极换流晶闸管门极驱动电路

介绍了集成门极换流晶闸管(IGCT)的基本结构,它同时拥有晶体管的关断特性和晶闸管的开通特性,是一种理想的兆瓦级中高压半导体开关器件。IGCT必须结合集成门极驱动电路才能完成硬开通和硬关断,因此门极驱动电路的性能将直接影响器件性能的优劣。具体设计了630A/4500V逆导GCT的驱动电路,并分析了驱动电路的要求和设计原理。

门极换流晶闸管(GCT)击穿机理的研究

简述了门极换流晶闸管(GCT)的耐压结构及其特点。利用MEDICI软件模拟和分析了具有不同结构参数的四种器件的阻断能力和通流能力,研究了GCT的击穿机理。结果表明,GCT的击穿实质上属于场阻止(FS)型击穿,并非穿通(PT)型击穿。从而指出以往对GCT击穿机理的认识存在局限性。

集成门极换流晶闸管IGCT

介绍了一种新型电力半导体器件——集成门极换流晶闸管 (IGCT)的特性、工作原理、关键技术及其应用情况 ,并指出它必将成为大功率应用中的首选电力半导体器件。

Bi-Mode逆导门极换流晶闸管工艺方案与版图设计

Bi-mode逆导门极换流晶闸管(BGCT)是为了改善传统逆导门极换流晶闸管(RC-GCT)电流均匀性和提高硅片有效面积利用率而提出的一种新结构,其主要特点是在版图布局中将二极管阳极与GCT阴极指条穿插一起。通过对BGCT器件结构的分析,给出了一种工艺制作方案,并利用Sentaurus TCAD软件验证了工艺方案的可行性,分析研究结果表明,工艺设计方案可行,器件结构参数符合目标要求;最后在确定的工艺流程方案基础上,通过对门阴极指条的设计给出了其版图布局方案,且用L-edit软件绘制出了其光刻流程。