基于碳化硅新型换流阀设计研究

论文摘要

近年来,随着基于硅材料半导体工艺和器件设计技术的不断完善,硅功率器件的发展将达到材料的理论极限值。但是,随着我国特高压直流输电工程的快速发展,输电电压等级要求越来越高,本文以±800kV/5000A直流输电工程为背景。如果采用硅晶闸管实现单阀耐压要求需要几十个或数百个串联,这样会使系统结构复杂,可靠性降低,损耗增大。碳化硅是当前发展较成熟的宽禁带半导体,4H-SiC的临界击穿电场强度大约为硅的10倍,热导率是硅的3倍,饱和载流子漂移速度为硅的2倍,因此4H-SiC在发展高压、高温、高频电力电子器件具有极大的潜能。使用碳化硅器件替代硅器件将使阀的结构简化、可靠性提高、体积减小、损耗减小。基于此,中国电力科学研究院开展了碳化硅晶体、器件及其应用技术研究,在此期间我参与了本项目的研究工作。本文通过功率器件设计理论和半导体工艺器件仿真软件Silvaco-TCAD设计了40kV碳化硅晶闸管。器件设计主要从耐压、等效晶体管放大系数、载流子寿命三方面进行了考虑。最终通过理论计算和仿真确定了40kV碳化硅晶闸管各层厚度与掺杂浓度,并对器件的静态和动态特性进行了仿真。从碳化硅晶闸管通态特性中提取出门槛电压、斜率电阻、阻断漏电流、反向恢复电荷量,为碳化硅阀损耗计算提供重要参数。本文从换流阀基本组件—晶闸管、饱和电抗器、阻尼回路的电气模型出发,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了换流器仿真电路。根据±800kV/5000A直流输电工程主回路参数与阀模块技术条件确定了仿真电路参数。在换流器仿真电路的基础上通过电路仿真的方法确定了阻尼参数对换流阀关断过程中反向电压过冲的影响,进而确定了阻尼参数的取值范围。最后通过理论与仿真计算对比了碳化硅晶闸管和硅晶闸管开通损耗、通态损耗、关断损耗、断态损耗、阻尼回路损耗、饱和电抗器损耗。通过理论计算和仿真计算表明：使用碳化硅器件代替硅器件将使单阀的损耗大大减小。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 绪论
• 1.1 直流输电及换流阀
• 1.1.1 直流输电概述
• 1.1.2 直流输电换流阀
• 1.2 碳化硅电力电子器件及换流阀损耗问题研究现状
• 1.2.1 碳化硅电力电子器件研究必要性
• 1.2.2 换流阀损耗计算必要性
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 2 新型电力电子器件理论基础及应用研究
• 2.1 单极器件材料选取研究
• 2.1.1 低频器件材料选取研究
• 2.1.2 高频器件材料选取研究
• 2.2 双极器件材料选取研究
• 2.2.1 截止频率和电压关系
• 2.2.2 截止频率和电流关系
• 2.2.3 功率和频率关系
• 2.3 碳化硅肖特基二极管实验
• 2.3.1 实验原理和拓扑图
• 2.3.2 实验数据分析
• 2.4 载流子寿命对二极管反向恢复电流影响仿真
• 2.4.1 仿真电路原理
• 2.4.2 仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 碳化硅晶闸管设计
• 3.1 仿真软件SILVACO-TCAD介绍
• 3.2 基本方程及物理模型
• 3.2.1 基本方程
• 3.2.2 物理模型
• 3.3 碳化硅晶闸管设计
• 3.3.1 阻断电压设计
• 1和α₂计算'>3.3.2 α₁和α₂计算
• 3.3.3 少子寿命取值设计
• 3.4 碳化硅晶闸管击穿特性和开关暂态特性仿真
• 3.4.1 击穿特性仿真
• 3.4.2 关断特性仿真
• 3.5 本章小结
• 4 基于碳化硅晶闸管换流阀设计
• 4.1 换流阀组件电气模型
• 4.1.1 晶闸管电气模型
• 4.1.2 均压阻尼回路电气模型
• 4.1.3 饱和电抗器电气模型
• 4.2 主电路分析
• 4.3 基于碳化硅换流阀组件参数确定
• 4.3.1 换流阀模块电气设计技术条件
• 4.3.2 单阀晶闸管串联数
• 4.3.3 直流均压电阻
• 4.3.4 电路参数确定
• 4.3.5 阻尼参数
• 4.4 本章小结
• 5 新型换流阀损耗研究
• 5.1 新型换流阀组件电气特性
• 5.2 换流阀组件损耗计算与仿真
• 5.2.1 单阀串联晶闸管损耗
• 5.2.2 单阀阻尼回路损耗
• 5.2.3 单阀饱和电抗器损耗
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集