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[導(dǎo)讀]?1.?引言??進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源是我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向,而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求。而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)...

?1.?引言
??進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源是我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向,而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求。而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。
??在新一代高壓大功率可關(guān)斷電力電子器件中,由于IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高,使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術(shù)中的首選器件。IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排,并提高電力的利用效率,具有很好的環(huán)境保護(hù)效益,被公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品,是未來應(yīng)用發(fā)展的必然方向。
??不過,隨著lGBT的應(yīng)用日益廣泛,人們對其性能的要求也越來越高,一方面,為了提高工作頻率,降低系統(tǒng)噪聲。IGBT的開關(guān)速度應(yīng)越快越好,另一方面,為了在不増大散熱片尺寸的情況下IGBT的功耗又必須足夠低。此外,電力系統(tǒng)應(yīng)用中,IGBT的特性必須非常穩(wěn)定,保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。近幾年來,芯片技術(shù)不斷改進(jìn),一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮,盡管如此,IGBT的功耗還沒有降到用戶滿意的程度,特性還是不夠穩(wěn)定。
??在這種情況下,針對電力系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)和需求,進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問題。IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)不僅可以從芯片級提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù),還可以從模塊級、裝置綴、系統(tǒng)級提出對器件相應(yīng)的參數(shù),以用于改善整個系統(tǒng)的性能,比如針對IGBT的串聯(lián)需求對IGBT壓接式模塊進(jìn)行l(wèi)GBT與FRD的匹配研究。
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??2. IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)
? IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就是針對不同的電力應(yīng)用,在特定的IGBT芯片的情況下合理設(shè)計(jì)快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、封裝參數(shù)及電路參數(shù)的一種新型技術(shù)。此技術(shù)將為lGBT模塊的設(shè)計(jì)與研制提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),為電力電子器件的研制和電力電子裝置的研發(fā)帶來優(yōu)勢,可以減少電力電子裝置在使用中的電能損耗,為節(jié)能減排,低碳社會作出貢獻(xiàn)。
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??2.1 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢
? lGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的主要特點(diǎn)如下:
? 1)對于lGBT模塊選擇合適的IGBT芯片與快恢復(fù)二極管芯片;
? 2)設(shè)計(jì)更合理的芯片結(jié)構(gòu),改變lGBT芯片結(jié)構(gòu)以及快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)以求減小損耗和提高可靠性。
? 3)在封裝上進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。
? 4)在市場上現(xiàn)有的IGBT與快恢復(fù)二極管的條件下,選擇合理的匹配參數(shù)。
? IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)優(yōu)勢在于可以應(yīng)用到任何包含IGBT應(yīng)用的場合,比如可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、電網(wǎng)互聯(lián)、無功補(bǔ)償、高壓變頻等領(lǐng)域,是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減持,低碳社會的有力措施,是我國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。
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??2.2 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配的技術(shù)應(yīng)用前景
??做好IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就為IGBT模塊的應(yīng)用技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),可以應(yīng)用于含有l(wèi)GBT和快恢復(fù)二極管的各個行業(yè),為節(jié)能減排,低碳生活做出有利貢獻(xiàn),IGBT是現(xiàn)代逆變器的主流功率器件,快恢復(fù)二極管是其不可缺少的搭檔,這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于變頻家電、電機(jī)、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、高速鐵路和智能網(wǎng)等各個節(jié)能領(lǐng)域,優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)可以使IGBT變頻裝置噪聲降低,功率因數(shù)提高,節(jié)省電能,節(jié)省材料,縮小裝置體積,降低成本使裝置工作穩(wěn)定可靠,壽命大大延長,減少對電網(wǎng)的污染。
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??2.3 IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展趨勢
??隨著lGBT與FRD的發(fā)展,其耐壓等級、電流容量和開關(guān)頻率進(jìn)一步得到提高,要求IGBT與FRD的匹配更加嚴(yán)格,特別是在高壓大功率場合。隨著電力電子技術(shù)和新材料器件的發(fā)展,IGBT與FRD的匹配面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn),合理的選擇參數(shù)進(jìn)行匹配不僅能夠降低功率損耗,而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的發(fā)展將會帶動FRD芯片的發(fā)展,兩個芯片的同時發(fā)展必然將帶來IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展,參數(shù)的正確選擇可以使IGBT模塊在較大的溫度和電流范圍內(nèi)具備較低的正向?qū)▔航担^小的開關(guān)損耗和恢復(fù)電荷,使器件可以覆蓋更廣的功率范圍,更好的動態(tài)抗沖擊性以確保發(fā)生短路時能夠避免器件損壞。
? IGBT與FRD匹配的發(fā)展趨勢包括:
? 1)用碳化硅二極管代替快恢復(fù)二極管,實(shí)驗(yàn)證明1200V IGBT模塊總能耗可改善20%~40%。
? 2)新型材料:為充分利用新材料器件的優(yōu)勢,要求模塊結(jié)構(gòu)在更高結(jié)溫下的寄生電感和電容要小,比如碳化硅、氨化鎵器件等。
? 3)不斷地改進(jìn)IGBT與快恢復(fù)二極管的器件結(jié)構(gòu)和性能,發(fā)明新型器件,組合新的模塊以降低功率損耗。
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??3.?仿真分析
??為了研究影響lGBT與快恢復(fù)二極管匹配的參數(shù),本文采用ISE仿真軟件對IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)進(jìn)行仿真研究。
??主要進(jìn)行了以下兩個方面的仿真研究:1)采用不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動態(tài)特性仿真;2)在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件進(jìn)行仿真,比如改變線路的雜生電感、封裝的寄生電感與電容、驅(qū)動電阻等。
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??3.1不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動態(tài)特性仿真
??快恢復(fù)二極管A參數(shù),P 陽極表面摻雜1.5e16cm3,結(jié)深20μm;N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3,
厚度為120μm;N 陰極的最高表面濃度為5e19cm3,厚度為50μm;整體進(jìn)行壽命控制,電子壽命為1e-7s,空穴壽命為1.6e-7s。
??快恢復(fù)二極管B參數(shù):P 陽極表面摻雜5e15cm3,結(jié)深6μm;N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3,厚度為74μm;在硅片背面形成緩沖層的N 陰極,其中緩沖層的最高濃度為4e16cm3,厚為18μm;N 陰極的最高表面濃度為5e19cm3,厚度為1μm;整體進(jìn)行壽命控制,電子壽命為7e-7s,空穴壽命為7e-7s。仿真電路如圖1所示:
?圖1?IGBT與快恢復(fù)二極管的仿真電路?
??仿真數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以判定快恢復(fù)二極管B比快恢復(fù)二極管A在與IGBT匹配時lGBT動態(tài)特性好,從而在進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配時要進(jìn)行選擇合適的快恢復(fù)二極管,外特性包括:額定電壓、額定電流、額定頻率等;器件參數(shù)包括結(jié)構(gòu)、壽命控制、陽極發(fā)射極效率控制等。
表1 不同F(xiàn)RD與IGBT匹配的IGBT動態(tài)特性分析??
??3.2在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件
??本仿真采用上述仿真的快恢復(fù)二極管B進(jìn)行考慮封裝與驅(qū)動帶來的寄生電感與電容和電阻改變相應(yīng)仿真條件的仿真試驗(yàn),主要包括:a)集電極加入封裝寄生電感13nH、(b)基極電阻増大到30歐姆、(c)二極管兩端加入寄生電容40pf、(d)基極電阻增大到30歐姆并且二極管兩端加入寄生電容40pf、(e)二極管兩端加入寄生電容40pf且基極加10nH寄生電感、(f)二極管兩端加入寄生電容40pf,基極加10nH寄生電感且基極電阻為25歐姆,每個方案的電路參數(shù)如表2所示,仿真電路如圖2所示。
表2 改變仿真方案的電路參數(shù)表??圖2 IGBT與快恢復(fù)二極管仿真電路圖?
??仿真數(shù)據(jù)如表3所示,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以推出在其他條件不改變的條件下,1)根據(jù)a與b、c與d、e與f的仿真結(jié)果可以的得到:增加門極驅(qū)動電阻會增大IGBT的關(guān)斷下降時間,增加損耗;2)根據(jù)第一個仿真試驗(yàn)FRD B與本仿真試驗(yàn)中的a進(jìn)行對比可以看出:增大發(fā)射極的封裝電感會大幅增大IGBT開通的恢復(fù)時間和開通損耗;3)根據(jù)c與e的仿真結(jié)果可以得到:増大基極的封裝電感會增大IGBT關(guān)斷下降時間,增加關(guān)斷損耗。4)而由a與c、b與d的仿真數(shù)據(jù)可以得到在一定范圍內(nèi)快恢復(fù)二極管的寄生電容對IGBT的動態(tài)特性影響不大,因此,減小門極驅(qū)動電阻,降低封裝寄生電感可以提高IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配性能。
表3?改變電路參數(shù)的IGBT的動態(tài)特性分析??
??4.?結(jié)論
??本文簡述了lGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢、應(yīng)用前景以及發(fā)展趨勢,應(yīng)用ISE軟件進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的仿真研究與設(shè)計(jì),得到影響IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配的技術(shù)參數(shù):1)lGBT與快恢復(fù)二極管的額定電壓;2)IGBT與快恢復(fù)二極管的額定電流;3)lGBT模塊封裝的寄生電感;4)IGBT模塊封裝的寄生電容;5) lGBT驅(qū)動的基極電阻;6) IGBT與快恢復(fù)二極管的額定頻率;7)外電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。從上述結(jié)論可知,IGBT與FRD的匹配不僅需要考慮器件間的匹配關(guān)系,還需要綜合考慮外電路對器件特性的影響。
??本文提出在IGBT對特定的情況下如何優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的幾種方法如下:1)選擇額定參效(電壓、電流、頻率)與IGBT一致的快恢復(fù)二極管;2)降低驅(qū)動門扱電阻;3)降低IGBT與快恢復(fù)二極管并聯(lián)的寄生電感(集電極與基極);4)電路設(shè)計(jì)時適當(dāng)考慮IGBT與快恢復(fù)二極管井聯(lián)的寄生電容;5)根據(jù)IGBT與快恢復(fù)二極管的應(yīng)用需求合理設(shè)計(jì)外電路的參數(shù)(電容、電感、電阻等)。
? IGBT快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源,實(shí)行低碳的有力措施,是我國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

END
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電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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