4.5kV IGBT-二极管芯片组在高压直流输电领域的应用.doc

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1、4.5kVIGBT/二极管芯片组在高压直流输电领域的应用　　制造商已经为高压直流（HVDC）应用开发出新的4.5kV绝缘栅双极晶体管（IGBT）/二极管芯片组并对其性能进行了优化。这种芯片组的特点是导通电压损耗非常低、具备大电流高电压快速开通行为和高鲁棒性的短路行为。在IGBT和二极管上应用HDR技术，可以获得高鲁棒性。4.5kV级芯片组的出现，是对现有3.3kV和6.5kV高压级芯片组产品的补强。该芯片组有两种不同的外壳可供选择：　　第一个芯片组采用高度绝缘6.5kV模块外壳，提供10.2kV隔离能力，具备的爬电距离和间隙距离

2、能应付带2500-3000V直流母线电压的牵引应用的恶劣环境。第二个芯片组是为IHV-B外壳设计的，是用途遍及全球的著名IHV-A模块的接班者。该模块适合在工业应用中使用，例如中压变频器和各种高压直流（HVDC）场合，也适合在柔性交流输电系统（FACTS）应用领域使用。模块参见图1。　　　　图1：4.5kVFZ1200R45HL3模块的封装　　为未来的HVDC系统–相较于众所周知的基于晶闸管的并网换相高压直流传输，这些基于IGBT的电压源转换器（VSC）将会对未来的HVDC系统起到重要的作用。基于IGBT的解决方案依赖于独立的有

3、功电流和无功电流控制，而这种控制又是借助IGBT的导通和关断功能实现的。此外，它们在应付交流电网故障方面还表现出了优越的性能。　　在高压应用领域，需要以串联方式连接大量的半导体，而且必须保证高精度的同步开关。为了更好地满足如此苛刻的设计要求，建议在HVDC和FACTS等高压应用中使用多电平VSC-模块化多电平变换器（MMC）。在HVDC应用中，单个IGBT模块的开关频率可以降低。因此，低通态损耗对于降低总功耗的作用尤其令人感兴趣。　　　　IGBT和二极管的结构　　IGBT沟槽技术因为单元之间的载流子累积作用、单元间距和沟道长度经

4、过优化、并且有专为高阻断电压而设计的沟道宽度，所以通态损耗很低。因此，沟槽技术提供了一种影响单元下载流子浓度的可行办法，并且影响范围比标准平面技术的更宽。图2描绘的是4.5KVIGBT/二极管的剖面示意图。两种设备都采用了VLD结构（横向掺杂）进行边缘终结。这种结构与垂直HDR结构相结合，令开关序列期间的动态雪崩现象减少，从而赋予IGBT极高的关断鲁棒性，赋予二极管极高的整流鲁棒性。　　　　图2：适用HDR和VLD边缘终结的IGBT（左）和EC二极管（右）的剖面示意图　　电气性能　　1）静态特性　　为了实现4.5KVIGBT较低

5、的导通状态电压，特意对众所周知的6.5KV器件平台沟槽技术进行了调整。做法是选用合适的基体材料并且采用经过调整的场截止（fieldstop）和经过优化的电池设计，赋予4.5kV器件同类最佳的通态特性。基于FZ1200R45HL3模块的标称电流1200A，获得了典型的VCE（sat）=2.35V@25℃，VCE（sat）=2.9V@125°C和VCE（sat）=3.0V@150℃。EC二极管在电流等于标称电流1200A时表现出几乎呈中性的温度系数，在25°C≤T≤150°C的温度范围内表现出典型的正向压降并且Vf≤2.5V。　　2

6、）动态特性　　额定条件下，即VCE=2.8kV，IC=1200A和T=150℃的开关波形如图3所示。在这些条件下，可以发现存在换向电感为150nH的软关断行为。VCE不超过3.4kV。在更加苛刻的条件下，即有杂散电感更高、电流更大、工作温度低至-40°C时，软关断也能保证。典型的接通和反向恢复波形也被描绘成图，图中可以看到非常平滑的IF尾部渐变。　　　　图3：典型波长@800V/1200A，150µH，150°C　　关断：VCE=400V/div，IC=150A/div，Rgoff=5.1W，VGE=5V/div　　接通：VCE

7、=350V/div，IC=300A/div，Rgon=1.2W，VGE=5V/div　　反向恢复：VCE=500V/div，IC=500A/div，Rgon=1.2W　　高电压和高电流下开关　　在HVDC应用中，确保在发生故障时，IGBT能在高电压、大电流条件下及时表现出快速开通行为非常重要，已对器件在超出RBSOA限制的此等条件下的耐用性进行了评估。　　沟道宽度是IGBT可采用的、针对可预测的失效事件而调整开通行为的参数。沟道宽度增加，可获得快速导通性能。但同时，沟道宽度增加，短路电流也会随之增大，所以要受短路能力的限制。因此

8、，必须在开通性能与短路能力之间寻求平衡，或者也可以通过增强IGBT的垂直结构同时满足提升开通性能和增强短路能力两个要求。　　3）短路能力　　为了证明IGBT的1型短路能力，对其施加VCE=3000V、VGE=17V和T=125℃的苛刻条件。9500A，接近标称电