肖特基结多数载流子积累新型绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是现代功率半导体器件的核心,因其良好的电学特性得到了广泛的应用.本文提出了一种具有肖特基结接触的栅半导体层新型多数载流子积累模式IGBT,并对其进行特性研究和仿真分析.当新型IGBT处于导通状态,栅极施加正向偏压,由于肖特基势垒二极管极低的正向导通压降,使得栅半导体层的电压几乎等于栅极电压,从而能够在漂移区中积累大量的多数载流子电子.除了现有的电子外,这些积累的电子增大了漂移区的电导率,从而显著降低了正向导通压降.因此,打破了传统IGBT正向导通压降受漂移区掺杂浓度的限制.轻掺杂的漂移区可以使新型IGBT具有较高的击穿电压,同时减小了关断过程中器件内部耗尽层电容,因此整体米勒电容减小,提升了关断速度,减小了关断时间和关断损耗.分析结果表明,600 V级别的击穿电压时,新型IGBT的正向导通压降,关断损耗和关断时间相比常规IGBT分别降低了46.2%,52.5%,30%,打破了IGBT中正向导通压降和关断损耗之间的矛盾.此外,新型IGBT具有更高的抗闩锁能力和更大的正偏安全工作区.新型结构的提出满足了未来IGBT器件性能的发展要求,对于功率半导体器件领域具有重大指导意义.

一种新型静止变频器换相失败检测技术

燃气轮机启动系统多采用静止变频器(SFC),启动成功率是考核SFC的重要指标。本文基于燃气轮机对SFC启动成功率的影响因素进行了分析,发现因各种原因造成的SFC逆变桥换相失败是影响SFC启动成功率的关键因素。基于此,本文以SFC发生换相失败的波形分析为基础,对SFC逆变桥换相进行了深入的研究,将SFC逆变桥换相失败归为“脉冲丢失”和“关断复通”两类,并提出了基于脉冲丢失换相失败的检测逻辑和基于关断复通换相失败的检测逻辑,最终将换相失败检测技术应用到实际项目中,理论上将SFC在非永久性硬件故障状态下的启动成功率提高至100%。

18 kV 4H-SiC ESC-IGBT结构设计与特性研究

针对碳化硅(SiC)绝缘栅双极晶体管(IGBT)空穴抽取慢,导致关断损耗高的问题,文中提出一种发射极肖特基接触的18 kV 4H-SiC IGBT(ESC-IGBT)新结构。该结构在JFET区上方引入肖特基结,并将其与发射极短接,提供额外的空穴抽取路径,降低关断损耗。当ESC-IGBT处于关断阶段时,随着耗尽层在漂移区中扩展,额外的空穴抽取路径开始工作,可以有效解决单一路径空穴抽取慢的问题,进而降低关断损耗。Sentaurus TCAD分析结果表明:ESC-IGBT击穿电压为20.9 kV时,所提出的ESC-IGBT的栅氧化层电场相比传统平面型有效降低46%,栅氧可靠性有所提高;在正向导通特性无明显退化的前提下,ESC-IGBT栅集电荷比传统平面型SiC IGBT结构降低37%,关断损耗和工业优值(IFOM=V_(ce)·E_(off))降低34%。另外,ESC-IGBT易实现的工艺与主流SiC IGBT工艺兼容,适用于高频高可靠性电力电子系统。

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。

二极管钳位型三电平变换器开关损耗分析

在优化多电平变换器系统性能时必须建立变换器开关损耗模型。通过一些特征参数来表征器件的开关波形,并根据开关波形产生的内在机理分别拟合逼近三电平变换器中快恢复二极管和IGBT的真实开关波形。另外,在分析二极管钳位型三电平变换器半导体器件开通、关断机理的基础上,建立了此类变换器的开关损耗计算模型。实验验证了二极管钳位型三电平变换器的器件开关模型和开关损耗模型的正确性和有效性。

低功耗IGBT(LPL-IGBT)及其仿真

提出了一种新结构的 IGBT,取名为低功耗 IGBT(L PL- IGBT) ,它具有离子注入形成的超薄且轻掺杂的背P型发射区 ,从而具有 NPT- IGBT的优点 ;同时具有由衬底预扩散残留层构成的 n型缓冲层 ,又具有 PT- IGBT的优点 .计算机仿真结果证明 ,它的关断损耗比 PT- IGBT和 NPT- IGBT降低一倍左右 .它的结构比

IGBT模块电气参数测试及分析

针对不同集电极电流及开关频率下的开关过程设计并搭建了IGBT电气参数测试系统。试验测录了IGBT模块在开关过程中的电压、电流波形,对电压、电流波形进行数据处理,得到IGBT模块的开关时间和开关损耗;根据对IGBT模块的开关损耗进行分析,得到IGBT模块的开关损耗在随着集电极电流和开关频率变化的规律。

一种基于调节缓冲电容的IGBT热管理方法

针对结温波动加快绝缘栅双极型晶体管(IGBT)老化失效的问题,提出一种基于调节缓冲电容改变IGBT关断轨迹的热管理方法。依据IGBT寿命模型,通过关断轨迹调节关断损耗大小以平滑结温波动的方法能提高IGBT使用寿命。与现有的热管理方法相比,该方法具有对主电路影响小、实现简单等优点。首先,阐述热管理电路的工作原理,分析缓冲电路对IGBT关断损耗的影响。然后,建立IGBT损耗计算模型,归纳关断轨迹热管理调节能力的评估方法,以1.2 MW直驱风机系统为例,关断轨迹热管理可以平滑20%额定功率的负载变化造成的结温波动。最后,对该热管理方法进行小功率的实验验证。

一种基于di_C/dt反馈控制的大功率IGBT驱动保护方法

针对大功率IGBT提出一种新型的有源门极驱动保护方法。在IGBT正常开通与关断过程中,利用di_c/dt反馈控制,设计软开通及软关断电路,有效缩短IGBT的开通与关断时间,提高IGBT的开关频率,减小器件功率损耗;在IGBT发生短路时,结合di_c/dt反馈技术,设计改进型有源钳位保护电路,实现IGBT软关断,防止关断时产生较大的过冲电压损坏IGBT,同时有效减小门极触发电阻R_g上的损耗。利用Saber软件进行电路仿真,并基于大功率IGBT模块YMIF1200-33实验平台,验证方案的可行性,结果表明,相对于传统控制方案,正常开关情况下,开通时间缩短了26.5%,关断时间缩短了52.6%;短路情况下,相对于传统有源钳位方法,改进方案在有效钳住V_(CE)电压的同时,关断期间门极电阻上的电流减小到原来的35.4%,并能在短路发生的第一时间迅速可靠地关断IGBT。

一种具有新耐压层结构的IGBT

介绍了一种具有新型耐压层结构的IGBT——低功耗IGBT。新结构用三重扩散的方法在n- 单晶片上引入了n+ 缓冲层。保留了NPT-IGBT中薄而轻掺杂的背p+层和高载流子寿命的本质优点,同时又具有PT-IGBT中n-/n+ 双层复合的薄耐压层 (即薄基区) 的优点。计算机仿真得出,新结构IGBT的关断损耗比传统的IGBT减小50%左右。针对LPL-IGBT的创新点——新耐压层结构,我们还进行了优化仿真。

直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分。文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损耗和并联IGBT间关断动态均压、均流特性的影响,对组件的母排结构进行了优化设计。通过实验和仿真对比研究可得:采用将2组缓冲RCD分散、对称布置于并联IGBT两侧的方式设计的母排结构可更大程度优化并联IGBT的关断瞬态特性,但采用将单组缓冲RCD布置于并联IGBT中间的方式可在满足器件安全可靠运行条件的同时提高经济性,更适合工程应用。该研究结论可为基于并联IGBT的直流断路器组件中母排结构设计及优化提供技术指导。

电力SITH阳极造型对耐电容量的影响及提高

分析了影响电力静电感应晶闸管阻断电压BVAK的因素,提出了提高BVAK的方法,并构造了几种阳极结构.在实验了3种结构的基础上,给出一种新阳极造型.它有效利用了外延过程中在p-阳极区形成的轻掺杂n-层,在该层上进行条形p+重掺杂,为正向导通过程提供空穴注入,从而实现电导调制,降低通态压降.而未掺杂的透明阳极区则形成电流漏.实验表明,该结构不仅能有效增大阻断电压,同时利于关断过程积累电荷的抽取,加快关断时间,降低关断损耗.

一种电流自适应的尖峰电压限制型功率管关断控制方法

针对传统的驱动电路固定化的驱动电流无法优化开关器件损耗的问题,提出了一种根据开关管电流调整器件关断速度的方法。在一个平均电流控制的Boost电路中,用电流指令信号来调节驱动电路的关断电流大小。当电流指令信号越大时,驱动电流的关断电流越小;反之相反。这样就实现了在小电流(轻载)下开关管的关断速度更快,关断损耗更小。可以使用一个晶体管电路来实现电流指令对驱动关断电流的调整。设计的原则是,在一定的小电流下器件的关断电压尖峰不大于额定电流下器件的关断电压尖峰。分析了器件的关断特性,讨论了尖峰电压与驱动电流和漏感之间的关系。在一个200 V输入/380 V输出/功率1 kW的Boost电路上进行测试,结果表明采用所提出的驱动电路,轻载下效率比传统的方法提升了1%以上。

电子辐照对开关电源中功率双极晶体管损耗的影响

功率双极晶体管的损耗是开关电源总损耗中的最多的器件之一,采用10 M eV电子辐照来降低功率双极晶体管的下降延时,以此来降低功率双极晶体管的关断损耗。在一个典型的充电器开关电源中,85 V交流输入电压下,功率双极晶体管总损耗最多降低了42%,系统效率提高了2.1%。

一种新型的高效率Boost PWM变换器的研究

传统的 Boost ZVT PWM 变换器的主开关管实现了软开关,但是辅助开关管是在硬开关下关断。因此,变换器的效率低。提出了一种新型的 Boost ZVT PWM 变换器,详细分析它的工作原理及实现软开关的条件。实验结果证明了所提出的 Boost 变换器的有源开关管和二极管均实现了软开关,并且在满载时效率可达到94%左右。新型的 Boost ZVT PWM 变换器的思想也可以扩展到其它的基本变换器拓扑中得到新型零电压转换 PWM 变换器。

对GTO应用中的阻尼电路的探讨

本文就GTO应用中的关键技术GTO阻尼电路作了较为深入的分析,并对GTO逆变器中的阻尼电路的设计、元件参数的选定、阻尼回路的损耗等问题进行了探讨。

一种低损耗馈能式有源箝位电路

提出一种由二极管、箝位电容、单管直流变换器及其控制电路构成的低损耗馈能式箝位电路。根据箝位电容电压幅值来控制单管直流变换器向电路馈能,只有当箝位电容电压超过设定最高值时,单管直流变换器才馈能工作,其余时间箝位电容充分吸收功率管关断时分布电感的转移能量。单管直流变换器在间歇性脉冲工作方式下获得了更高的工作效率。分析了电路的工作过程及设计注意事项,最后通过实验证明了电路的有效性。

一种新型的高效率Boost PWM变换器的研究

传统的 Boost ZVT PWM 变换器的主开关管实现了软开关,但是辅助开关管是在硬开关下关断。因此,变换器的效率低。提出了一种新型的 Boost ZVT PWM 变换器,详细分析它的工作原理及实现软开关的条件。实验结果证明了所提出的 Boost 变换器的有源开关管和二极管均实现了软开关,并且在满载时效率可达到94%左右。新型的 Boost ZVT PWM 变换器的思想也可以扩展到其它的基本变换器拓扑中得到新型零电压转换 PWM 变换器。

节能型单相全桥零电流开关谐振极逆变器

为改善以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为开关器件的单相全桥逆变器的效率,提出了一种节能型单相全桥零电流开关谐振极逆变器,在每个桥臂上分别并联1组辅助电路.在工作过程中,主开关和辅助开关都能完成零电流软切换,可消除IGBT拖尾电流造成的关断损耗.分析了电路工作过程,在2kW样机上的实验结果表明开关器件实现了零电流软切换.因此,该拓扑结构可实现以IGBT作为开关器件的单相全桥逆变器的节能运行.

应用于无线充电系统的SiC MOSFET关断特性分析

SiC MOSFET的关断特性是无线充电系统传输效率和电应力研究的主要内容之一,对系统的安全、高效运行具有重要意义。首先,针对无线充电系统中考虑高次谐波的关断瞬态电流进行建模,并基于数据手册建立SiC MOSFET的关断能量损耗模型;其次,通过计算和仿真验证关断瞬态电流求解的正确性,探讨了关断瞬态电流、关断能量损耗与直流母线电压和输出功率的关系;最后,搭建1 kW LCC-S补偿的基于SiC MOSFET的无线充电系统进行实验验证,结果证明在全输出功率范围内,应用于无线充电系统的SiC MOSFET具有恒关断电流和恒关断损耗的特性。