基于碳化硅新型換流閥設(shè)計(jì)研究.pdf

1、近年來，隨著基于硅材料半導(dǎo)體工藝和器件設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷完善，硅功率器件的發(fā)展將達(dá)到材料的理論極限值。但是，隨著我國特高壓直流輸電工程的快速發(fā)展，輸電電壓等級(jí)要求越來越高，本文以±800kV/5000A直流輸電工程為背景。如果采用硅晶閘管實(shí)現(xiàn)單閥耐壓要求需要幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)串聯(lián)，這樣會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低，損耗增大。碳化硅是當(dāng)前發(fā)展較成熟的寬禁帶半導(dǎo)體，4H-SiC的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大約為硅的10倍，熱導(dǎo)率是硅的3倍，飽和載流子漂移速度

2、為硅的2倍，因此4H-SiC在發(fā)展高壓、高溫、高頻電力電子器件具有極大的潛能。使用碳化硅器件替代硅器件將使閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠性提高、體積減小、損耗減小。基于此，中國電力科學(xué)研究院開展了碳化硅晶體、器件及其應(yīng)用技術(shù)研究，在此期間我參與了本項(xiàng)目的研究工作。
　　本文通過功率器件設(shè)計(jì)理論和半導(dǎo)體工藝器件仿真軟件Silvaco-TCAD設(shè)計(jì)了40kV碳化硅晶閘管。器件設(shè)計(jì)主要從耐壓、等效晶體管放大系數(shù)、載流子壽命三方面進(jìn)行了考慮。最終通過

3、理論計(jì)算和仿真確定了40kV碳化硅晶閘管各層厚度與摻雜濃度，并對(duì)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真。從碳化硅晶閘管通態(tài)特性中提取出門檻電壓、斜率電阻、阻斷漏電流、反向恢復(fù)電荷量，為碳化硅閥損耗計(jì)算提供重要參數(shù)。
　　本文從換流閥基本組件—晶閘管、飽和電抗器、阻尼回路的電氣模型出發(fā)，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了換流器仿真電路。根據(jù)±800kV/5000A直流輸電工程主回路參數(shù)與閥模塊技術(shù)條件確定了仿真電路參數(shù)。在換流器仿真電