PDF《IGBT 技术进展及其在柔性直流输电中的应用》

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a e p s G i n f o . c o m I G B T技术进展及其在柔性直流输电中的应用 于坤山1 ,谢立军2 ,金锐1 ( 1. 全球能源互联网研究院电工新材料及微电子研究所,北京市

1 0

2 2

1 1;

2. 中国电力科学研究院,北京市

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0 1

9 2 ) 摘要:近十年来, 高电压、 大功率绝缘栅双极型晶体管( I G B T) 技术逐渐成熟, 并在直流输电系统中 得到广泛应用.文中首先介绍了I G B T 的发展和改进, 总结了I G B T 发展的重要阶段.其次, 介绍 了基于I G B T 的柔性直流输电换流阀的典型拓扑, 并说明I G B T 在拓扑内的应用参数及特点.最 后给出了I G B T 为适应柔性直流输电技术在性能、 封装形式及材料等方面的发展趋势. 关键词:绝缘栅双极型晶体管( I G B T) ;

柔性直流输电;

换流阀;

典型拓扑 收稿日期:

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修回日期:

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2 4. 上网日期:

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0 2. 国家高技术研究发展计划(863计划)资 助项目(2014AA

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0 1) ;

国家电网公司科技项目(SGRIGWD G

7 1 G

1 3 G

0 0 6, S G R I G WD G

7 1 G

1 4 G

0 0

5 ) .

0 引言 近十年来, 绝缘栅双极型晶体管( I G B T) 从芯片 设计、 工艺、 测试到器件封装技术等方面都取得了重 大进步, 器件的参数和整体性能得到显著提高.目前, I G B T 最高水平达到65

0 0V /

6 5 0A 和33

0 0V /

20 0

0 A. 实验室电压、 电流水平更是分别达到80

0 0V和38

0 0A.各类采用I G B T 的电力电子装 置也从实验示范实现了规模化和产业化. 随着中国电网发展, 特别是以风电和太阳能发 电为代表的可再生能源的快速发展, 极大地推动电 网新技术的应用规模和发展进程.以柔性直流输电 为代表的新一代输电技术, 将成为促进I G B T 在电 力系统中应用加速的首要驱动力, 高压、 大容量、 低 损耗、 安全工作区域大将成为I G B T 主要发展方向. 提高I G B T 的容量, 需要解决由于电压电流提升给 I G B T 芯片制造及封装带来的难题, 目前国内的主 要器件生产厂家针对高压大电流等级的I G B T 都正 在开展研发, 有望在未来几年内投入商业使用, 以期 实现I G B T 国产化.

1 I G B T技术发展演进 I G B T 自2 0世纪

8 0 年代发 明以来, 其表面结 构( 金属氧化物半导体( MO S ) ) 和体结构( 耐压层和 集电区) 都经历了一系列的相对独立的发展和改进. 从表面 MO S结构上讲, 主要经历了从平面栅到沟 槽栅的改进, 以及由简单 P阱向 N 阱包围 P阱形成 空穴阻挡层的演变, 如图1所示.图中, E 和G分别为I G B T 的发射极和栅极. 图1 I G B T表面结构的演化 F i g .

1 E v o l u t i o no f I G B Ts u r f a c e s t r u c t u r e 沟槽栅结构借鉴了大规模集成电路( L S I ) 工艺 中的硅干法刻蚀技术, 实现了在通态电压和关断时 间之间的优化.元胞结构则采用了更先进的宽元胞 间距的设计及空穴阻挡层.典型的例子包括日立半 导体的 H i G T、 三菱半导体的 C S T B T 芯片和 A B B 公司的 E P工艺等技术. 从体结构上讲, I G B T 经历了由非透明集电区 穿通 型IGBT( P T G I G B T) 到透明集电区非穿通IGBT( N P T G I G B T) , 再到透明集电区 P T G I G B T 的 演变, 如图2所示.图中, C为I G B T 集电极. 穿通技术载流子注入系数较高, 但由于它要求 对少数载流子寿命进行控制, 致使其输运效率变坏;