本文關(guān)鍵詞：基于碳化硅新型換流閥設(shè)計(jì)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京交通大學(xué)》 2011年

基于碳化硅新型換流閥設(shè)計(jì)研究

雷海峰  

【摘要】：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(guó)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�；诖�,中國(guó)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)。在換流器仿真電路的基礎(chǔ)上通過電路仿真的方法確定了阻尼參數(shù)對(duì)換流閥關(guān)斷過程中反向電壓過沖的影響,進(jìn)而確定了阻尼參數(shù)的取值范圍。 最后通過理論與仿真計(jì)算對(duì)比了碳化硅晶閘管和硅晶閘管開通損耗、通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗、斷態(tài)損耗、阻尼回路損耗、飽和電抗器損耗。通過理論計(jì)算和仿真計(jì)算表明：使用碳化硅器件代替硅器件將使單閥的損耗大大減小。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM46
【目錄】：

致謝5-6

摘要6-7

ABSTRACT7-9

序9-12

1 緒論12-22

1.1 直流輸電及換流閥12-14

1.1.1 直流輸電概述12-13

1.1.2 直流輸電換流閥13-14

1.2 碳化硅電力電子器件及換流閥損耗問題研究現(xiàn)狀14-19

1.2.1 碳化硅電力電子器件研究必要性14-16

1.2.2 換流閥損耗計(jì)算必要性16-17

1.2.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-19

1.3 本文主要工作19-22

2 新型電力電子器件理論基礎(chǔ)及應(yīng)用研究22-38

2.1 單極器件材料選取研究22-26

2.1.1 低頻器件材料選取研究22-25

2.1.2 高頻器件材料選取研究25-26

2.2 雙極器件材料選取研究26-29

2.2.1 截止頻率和電壓關(guān)系27-28

2.2.2 截止頻率和電流關(guān)系28-29

2.2.3 功率和頻率關(guān)系29

2.3 碳化硅肖特基二極管實(shí)驗(yàn)29-34

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理和拓?fù)鋱D29-31

2.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析31-34

2.4 載流子壽命對(duì)二極管反向恢復(fù)電流影響仿真34-37

2.4.1 仿真電路原理34-35

2.4.2 仿真結(jié)果分析35-37

2.5 本章小結(jié)37-38

3 碳化硅晶閘管設(shè)計(jì)38-64

3.1 仿真軟件SILVACO-TCAD介紹38-39

3.2 基本方程及物理模型39-44

3.2.1 基本方程39-41

3.2.2 物理模型41-44

3.3 碳化硅晶閘管設(shè)計(jì)44-56

3.3.1 阻斷電壓設(shè)計(jì)46-47

3.3.2 α_1和α_2計(jì)算47-50

3.3.3 少子壽命取值設(shè)計(jì)50-56

3.4 碳化硅晶閘管擊穿特性和開關(guān)暫態(tài)特性仿真56-62

3.4.1 擊穿特性仿真56-58

3.4.2 關(guān)斷特性仿真58-62

3.5 本章小結(jié)62-64

4 基于碳化硅晶閘管換流閥設(shè)計(jì)64-84

4.1 換流閥組件電氣模型64-72

4.1.1 晶閘管電氣模型64-70

4.1.2 均壓阻尼回路電氣模型70

4.1.3 飽和電抗器電氣模型70-72

4.2 主電路分析72-73

4.3 基于碳化硅換流閥組件參數(shù)確定73-83

4.3.1 換流閥模塊電氣設(shè)計(jì)技術(shù)條件73-75

4.3.2 單閥晶閘管串聯(lián)數(shù)75-76

4.3.3 直流均壓電阻76

4.3.4 電路參數(shù)確定76-79

4.3.5 阻尼參數(shù)79-83

4.4 本章小結(jié)83-84

5 新型換流閥損耗研究84-112

5.1 新型換流閥組件電氣特性84-86

5.2 換流閥組件損耗計(jì)算與仿真86-110

5.2.1 單閥串聯(lián)晶閘管損耗86-103

5.2.2 單閥阻尼回路損耗103-107

5.2.3 單閥飽和電抗器損耗107-110

5.3 本章小結(jié)110-112

6 結(jié)論與展望112-114

參考文獻(xiàn)114-116

作者簡(jiǎn)歷116-120

學(xué)位論文數(shù)據(jù)集120

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6 鄧小君;朱曉東;呂宏水;馮煒;楊波;;靜止變頻器用晶閘管閥光電觸發(fā)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[A];2008中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2008年

7 谷永剛;肖國(guó)春;裴云慶;王兆安;;晶閘管投切電容器(TSC)技術(shù)的進(jìn)展[A];第11屆全國(guó)電氣自動(dòng)化電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2002年

8 張崇宏;;不銹鋼與碳化硅材料中氦的行為研究[A];第一屆反應(yīng)堆物理與核材料學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2004年

9 崔東;王建生;賈濤;馮建強(qiáng);;高壓直流換流閥及其絕緣試驗(yàn)[A];中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

10 李世斌;宋士華;馬明亮;金志浩;;反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料高溫?zé)崽幚硐嗯c組織變化[A];第十五屆華東地區(qū)熱處理年會(huì)暨華東地區(qū)熱處理年會(huì)三十周年紀(jì)念活動(dòng)論文摘要集[C];2006年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王彥　袁洪濤 鄭勁 韓海銀;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2010年

2 本報(bào)記者 石珊珊;[N];機(jī)電商報(bào);2010年

3 本報(bào)記者 張子瑞;[N];中國(guó)能源報(bào);2010年

4 朱選杰;[N];中國(guó)工業(yè)報(bào);2007年

5 張燕秉;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2010年

6 張逸飛　劉津 王彥;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2010年

7 通訊員 王彥　記者 張逸飛;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2011年

8 本報(bào)記者 王璐;[N];上海證券報(bào);2007年

9 姚雷;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2007年

10 姚雷;[N];國(guó)家電網(wǎng)報(bào);2007年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 杜海江;高壓無換向器電機(jī)及其控制技術(shù)研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2005年

2 劉艷村;負(fù)荷補(bǔ)償用靜止無功補(bǔ)償器的研究[D];武漢大學(xué);2004年

3 趙相賓;基于靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)的抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)研究[D];天津大學(xué);2007年

4 陳杰;多熱源多向流體系碳化硅材料制備理論及應(yīng)用[D];西安科技大學(xué);2011年

5 鞠治成;納米結(jié)構(gòu)碳化硅和碳材料的制備與性能研究[D];山東大學(xué);2011年

6 劉士利;改進(jìn)的邊界元法及其在電場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

7 劉磊;高壓直流換流站閥系統(tǒng)寬頻建模與電磁騷擾特性的研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2008年

8 宋久旭;碳納米管、碳化硅納米管的電子結(jié)構(gòu)及其輸運(yùn)特性的研究[D];西安電子科技大學(xué);2008年

9 王渝紅;交直流混合運(yùn)行系統(tǒng)中的換相失敗研究[D];西南交通大學(xué);2008年

10 王旭;固著磨料數(shù)控加工碳化硅反射鏡工藝研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2010年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 雷海峰;基于碳化硅新型換流閥設(shè)計(jì)研究[D];北京交通大學(xué);2011年

2 魯萬新;脈沖晶閘管的放電特性及熱特性研究[D];華中科技大學(xué);2011年

3 王偉;基于晶閘管串聯(lián)的高壓電機(jī)軟起動(dòng)器的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

4 薄魯海;晶閘管在脈沖功率電源中的應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2009年

5 李曉鵬;高壓換流閥的絕緣試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[D];華南理工大學(xué);2010年

6 王鵬;寧東—山東±660kV高壓直流輸電系統(tǒng)控制策略及實(shí)驗(yàn)研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

7 李相利;高壓直流換流閥組電磁輻射模型的研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2010年

8 任孟干;高壓閥光電觸發(fā)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D];中國(guó)電力科學(xué)研究院;2002年

9 魏菊芳;特高壓換流閥塔寄生電容參數(shù)提取及沖擊特性試驗(yàn)研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

10 林東岳;一種新型的串聯(lián)補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)的研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2007年

  本文關(guān)鍵詞：基于碳化硅新型換流閥設(shè)計(jì)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：70143