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作者: 发布时间:2014-11-01 来源: 繁体版
  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

  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:BXk自动化在线网

  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。BXk自动化在线网

 FZ1200R45HL3 模块的封装BXk自动化在线网

  图 1:4.5kV FZ1200R45HL3 模块的封装BXk自动化在线网

  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。BXk自动化在线网

  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。BXk自动化在线网

  IGBT 和二极管的结构BXk自动化在线网

  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 4.5KV IGBT/ 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。BXk自动化在线网

 IGBT(左)和 EC 二极管(右)的剖面示意图BXk自动化在线网

  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BXk自动化在线网

  电气性能BXk自动化在线网

  1)静态特性BXk自动化在线网

  为了实现4.5KV IGBT 较低的导通状态电压,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(field stop) 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)=2.35 V@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。BXk自动化在线网

  2)动态特性BXk自动化在线网

  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 150 nH 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。BXk自动化在线网

典型波长 典型波长 BXk自动化在线网

  图 3:典型波长 @ 800V / 1200A, 150µH, 150°CBXk自动化在线网

  关断: VCE=400V/div, IC=150A/div, Rgoff=5.1 W , VGE=5V/divBXk自动化在线网

  接通:VCE=350V/div, IC=300 A/div, Rgon=1.2 W , VGE=5V/divBXk自动化在线网

  反向恢复: VCE=500V/div, IC=500A/div, Rgon=1.2 WBXk自动化在线网

  高电压和高电流下开关BXk自动化在线网

  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。BXk自动化在线网

  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,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。BXk自动化在线网

  3)短路能力BXk自动化在线网

  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,接近标称电流的 8 倍,被成功关断。BXk自动化在线网

  垂直的 IGBT 结构经过优化,延长短路时间下限直至器件失效。图 4 显示了一个短路波形。短路事件可以由 IGBT 模块 FZ1200R45HL3 来处理,即使在 10μs 的短路持续时间之后,该装置依然能够提供可靠关断。


4.5kV IGBT/二极管芯片组在高压直流输电领域的应用
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