本文關鍵詞：基于碳化硅新型換流閥設計研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京交通大學》 2011年

基于碳化硅新型換流閥設計研究

雷海峰  

【摘要】：近年來,隨著基于硅材料半導體工藝和器件設計技術的不斷完善,硅功率器件的發(fā)展將達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現(xiàn)單閥耐壓要求需要幾十個或數(shù)百個串聯(lián),這樣會使系統(tǒng)結構復雜,可靠性降低,損耗增大。碳化硅是當前發(fā)展較成熟的寬禁帶半導體,4H-SiC的臨界擊穿電場強度大約為硅的10倍,熱導率是硅的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構簡化、可靠性提高、體積減小、損耗減小�；诖�,中國電力科學研究院開展了碳化硅晶體、器件及其應用技術研究,在此期間我參與了本項目的研究工作。 本文通過功率器件設計理論和半導體工藝器件仿真軟件Silvaco-TCAD設計了40kV碳化硅晶閘管。器件設計主要從耐壓、等效晶體管放大系數(shù)、載流子壽命三方面進行了考慮。最終通過理論計算和仿真確定了40kV碳化硅晶閘管各層厚度與摻雜濃度,并對器件的靜態(tài)和動態(tài)特性進行了仿真。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、反向恢復電荷量,為碳化硅閥損耗計算提供重要參數(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)與閥模塊技術條件確定了仿真電路參數(shù)。在換流器仿真電路的基礎上通過電路仿真的方法確定了阻尼參數(shù)對換流閥關斷過程中反向電壓過沖的影響,進而確定了阻尼參數(shù)的取值范圍。 最后通過理論與仿真計算對比了碳化硅晶閘管和硅晶閘管開通損耗、通態(tài)損耗、關斷損耗、斷態(tài)損耗、阻尼回路損耗、飽和電抗器損耗。通過理論計算和仿真計算表明：使用碳化硅器件代替硅器件將使單閥的損耗大大減小。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：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 換流閥損耗計算必要性16-17

1.2.3 國內外研究現(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及應用研究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 截止頻率和電壓關系27-28

2.2.2 截止頻率和電流關系28-29

2.2.3 功率和頻率關系29

2.3 碳化硅肖特基二極管實驗29-34

2.3.1 實驗原理和拓撲圖29-31

2.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析31-34

2.4 載流子壽命對二極管反向恢復電流影響仿真34-37

2.4.1 仿真電路原理34-35

2.4.2 仿真結果分析35-37

2.5 本章小結37-38

3 碳化硅晶閘管設計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 碳化硅晶閘管設計44-56

3.3.1 阻斷電壓設計46-47

3.3.2 α_1和α_2計算47-50

3.3.3 少子壽命取值設計50-56

3.4 碳化硅晶閘管擊穿特性和開關暫態(tài)特性仿真56-62

3.4.1 擊穿特性仿真56-58

3.4.2 關斷特性仿真58-62

3.5 本章小結62-64

4 基于碳化硅晶閘管換流閥設計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 換流閥模塊電氣設計技術條件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110-112

6 結論與展望112-114

參考文獻114-116

作者簡歷116-120

學位論文數(shù)據(jù)集120

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本文編號：70143