IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用

IGBT 技术进展及其在柔性直流输电中的应用摘要：随着我国社会科学技术的不断进步与发展，我国的轨道交通行业也在不 断地发展与更新。同时随着双极性晶体管 IGBT 技术的不断发展，其优良的通态特 性和开关特性已经逐渐应用在轨道交通中，特别是在柔性直流输电中的应用。这 种技术的结合不仅能够提高系统的控制精度，同时还可以稳定压力，优化整个系 统运行的过程。基于此，本文首先简单的分析一下IGBT的发展和改进；随后从几 个角度给出IGBT技术在柔性直流输电上的应用。以此仅供相关人士进行交流与参 考。关键词：IGBT技术；发展情况；柔性直流输电；应用引言： 随着变频调速的不断进步与发展，目前出现了一些以新的控制策略和电路拓 扑为主的变频器，不仅可以实现零开关损耗，而且能够将开关频率提升到一个几 万赫兹的数量级。作为少子器件的IGBT，它的工作性能已经远远超过MOSFET等 多子器件，不仅具有优越的通态特性，而且还有宽的安全工作区SOA,最重要的 一点就是具有高峰值电流容量，便于系统的驱动。由于IGBT具有如此多的优良特 性，所以在柔性直流输电上得到了广泛的应用与发展。一、IGBT技术的发展进程二十世纪八十年代发明了 IGBT，IGBT技术是伴随着其表面结构和体结构的发 展而发展的。IGBT的表面结构主要是金属氧化物半导体MOS，体结构包括耐压层 和集电区两部分。首先对于IGBT的表面结构而言，它从最初的平面栅改进为沟槽栅，然后从P 阱向N阱包围P阱演变成空穴阻挡层，具体变化见图一。修改后的沟槽栅结构的 关断特性和通态电压特性有了更好的优化，而且其中的元胞结构采用的是空穴阻 挡层，最经典的应用例子就是三菱半导体的CSTBT芯片1。（图一）IGBT表面结构的改进过程从 IGBT 的体结构而言，它经历了三个阶段（见图二）：非透明集电区穿通型到透明集电 区非穿通型，现在发展到透明集电区。对于最初的穿通技术而言，对载流子的注入系数要求 比较高，再加上对其使用寿命的限制，往往会限制其运输效率，因此穿通技术逐渐发展为非 传统技术，在非传统技术的使用过程中，虽然运输效率有所提升，但是注入系数变得太低， 所以开发了新型的体结构（含有缓冲层）来代替非穿通技术2。目前的IGBT体结构大部分 为新型的体结构，但是不同公司对其命名不同，但基本原理是不变的。目前对IGBT的研究依 旧在进行的，从而不断促进IGBT的结构性能。（图二）IGBT体结构的发展经历二、IGBT在柔性直流输电中的应用随着IGBT技术的不断进步与发展，IGBT已经应用到各个领域当中，就拿轨道交通的输电 技术而言，已经发展为IGBT和电压源换流器结合的柔性直流输电技术。（一） 两电平两电平电压源换流器采用串联压接式IGBT，这种连接方式不仅组装和结构简单，而且整 体系统的可靠性也比较高，其结构见图三。该结构是电路拓扑中最常见的结构，但是因为需 要多个IGBT串联，因此对串联的电压要求比较高。同时为了降低器件串联的难度，还需要提 高器件的耐压性能3。图三）两电平电路结构一） 模块化多电平换流器模块化多电平换流器最大的优点就是具有模块特性，主要由多个相同的SM子单元级联 形成的，可以更好地控制动态电压，易于扩展开关频率和容量4。同时模块化多电平换流器 需要使用低通态损耗的IGBT芯片，由此芯片构成的MMC拓扑在使用过程中的能够很大程度 上降低损耗，但是其控制系统十分复杂，模块之间的电容平衡也比较难控制。（二） 级联两电平 级联两电平是一种新型的多电平电压源换流器拓扑，该技术主要包括两个重要部分。第 一部分：为了提高子模块的可靠性并简化子模块的硬件设计需要采用具有短路失效模式的 IGBT芯片。第二部分：将IGBT阀级控制变得简单化。级联两电平采用了 IGBT串联技术和模 块化多电平技术，因此它不仅具有模块化多电平换流器的优点，同时其控制保护系统也比较 简单容易控制，适合用于容量较大的柔性直流输出场合5。三、结束语总而言之，随着社会科学技术的不断进步，我国的IGBT技术也得到了快速的发展，其开 关特性和动态参数指标也在不断的提高，已经逐渐应用在各个领域当中，特别是在直流输电 中的应用。而且随着IGBT技术的不断应用，电源系统的而输送能力也在不断增强。参考文献：1魏晓光，杨兵建，汤广福高压直流断路器技术发展与工程实践J电网技术，2017 （10）： 91-99.2杨晓平，雒雯霞，骆妮.一种应用于柔性直流输电的IGBT散热仿真建模及分析方法J. 高压电器，2017（12）： 129-133.3杨文，刘浔，韩情涛，et al.一种柔性直流输电工程中IGBT子模块电动装卸工具的设计 与分析J电子世界，2018，557（23）： 174+176.4张经纬，邓二平，赵志斌，et al.压接型IGBT器件单芯片子模组功率循环试验仿真J. 半导体技术， 2017（10） .5张忻庾，向大为，钟响.IGBT门氧层老化故障模拟及其对开通特性的影响J.新型工业 化， 2018， 8（08）： 21-26.