逆导型IGBT的发展及其在智能电网中的应用

介绍逆导型绝缘栅双极型晶体管(reverse conducting-insulated gate bipolar transistors,RC-IGBT)的结构与原理、技术发展历程及发展趋势。结合逆导型IGBT电流容量大、成本低、可靠性高等性能特点,分析了其在智能电网中的应用前景。RC-IGBT在低开关频率下具有很大优势,非常适合MMC应用。对于混合直流断路器的应用情况,RC-IGBT技术将使现有压接式模块的开断容量增加一倍。使用逆导型IGBT器件的电力电子装置系统设计更简单、散热装置更简化、装置体积也更小,因此,在智能电网迅速发展的今天,逆导型IGBT器件必将成为坚强智能电网建设的最佳选择。     

压接型IGBT器件多物理量测试方法综述

压接型IGBT器件目前已广泛应用于智能电网的各类高压大容量电力换流和控制装备中,与焊接式IGBT模块相比,具有功率密度大、双面散热、失效短路、易于串联等优点。器件中芯片压力、结温、电流3个关键物理量相互耦合并直接表征器件的运行工况,因此对压接型IGBT器件多物理量测试方法的研究有利于解决器件内部多物理场耦合问题,指导设计更有效的器件封装结构,保障器件的可靠运行。压接型IGBT器件内部芯片排列紧密,且密闭在由集电极和发射极极板压接形成的内部空间中,这给器件内部多物理量测试带来了挑战。该文紧密围绕压接型IGBT器件中上述3个关键物理量及其分布性的测试,系统综述小尺度下压力量、温度量、电流量各种测试方法的最新进展,梳理其主要特点,对比其优缺点并探讨其在压接型IGBT器件中的局限性与适用性,在此基础上展望压接型IGBT器件多物理量测试的研究方向。     

高压大功率压接型IGBT器件封装技术研究综述

高压大功率压接型IGBT器件具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点,是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。该文对ABB、Fuji、Toshiba、Westcode等公司的压接型IGBT器件封装技术路线进行介绍和分析,并对现有商业化大功率压接型IGBT器件的特性进行对比。综合已有压接型IGBT器件封装技术的特点与试验测量结果,提出将封装关键技术分为3个部分,并简要介绍各个部分的具体关键技术及研究现状。最后,基于压接型IGBT封装技术特点,结合实际工艺要求,提出一种评估压接型IGBT器件性能的判据,为后续压接型IGBT器件的开发与设计提供参考。     

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。     

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键.针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装结构;然后,系统分析微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效共七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法,并提出现有监测方法存在的问题;最后,从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面,展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路.     

IGBT的正确选择和使用

本文研究了逆变器核心开关器件IGBT主要参数的选择,分析三相逆变电路拓扑及功率器件IGBT的应用特点,根据其特点选择合适额定电压,额定电流和开关参数。以及优化设计栅电压,克服Miller效应的影响,确保在IGBT应用过程中的可靠性。     

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。     

高压大功率弹性压接型IGBT器件封装绝缘结构中的电场瞬态特性

压接型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是支撑柔性直流装备研制的核心器件，弹性压接型IGBT能更好地实现器件中各并联芯片的压力均衡，在电网应用场景中前景广阔。然而，器件内部的绝缘问题是高压器件研制过程中面临的主要挑战之一，因此，有必要在实际工况下分析器件绝缘结构中的瞬态电场分布，以指导绝缘设计。该文针对弹性压接型IGBT器件内部的复合绝缘结构，采用时域边界电场约束方程法，分别计算了单次关断工况和重复性导通关断工况下弹性压接型IGBT器件子模组封装绝缘结构中的瞬态电场分布。结果表明两种工况下，封装绝缘结构中最大电场强度均出现在芯片/聚酰亚胺（PI）钝化层界面上，且由于介质分界面两侧的绝缘材料介电常数和电导率参数不匹配，分界面上将会积累电荷。界面电荷密度随着时间逐渐增大，并影响电场分布，使得子模组中最大电场强度的模值和位置随时间发生变化。同时，单次关断工况下，最大电场强度的模值会更大。此外，该文提出通过改变器件中使用的绝缘材料，提高界面处的材料参数匹配程度，可以实现对子模组内电场分布的改善。该文所提方法能显著降低器件内部最大电场强度的模值，可为弹性压接型IGBT器件的封装绝缘结构设计和优化提供...     

IGBT短路保护的控制策略分析

简述了硅整流器和晶闸管的短路保护的基本方法,即利用交流电网侧加适度的电抗器、器件串联快速熔断器.但是这种方法仅适用于电流过零关断的工作条件,对于工作在硬开关条件下的IGBT不适用;分析了IGBT在短路模式下的工作状态、短路保护需要的时限以及其他相关元件对IGBT短路状态的承受能力;指出在短路保护过程中降低栅极电压减缓关断速度是IGBT短路保护的有效手段.     

国内外电力电子器件发展现状

简要回顾了电力半导体器件的发展历史。对光控晶闸管(LTT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及反向开关两端晶闸管(RSD)等新型器件的工作原理、现状做了介绍。指出电力半导体是电力电子技术的基石．离开他们．电力电子技术将是无米之炊。     

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中,其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境,测试并掌握IGBT器件的特性参数,选用合适的驱动保护电路,可以确保IGBT稳定可靠运行,充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性,选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试,测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。     

基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算

结合无刷直流电机控制器的设计,提出了基于PSPICE仿真的绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)功率损耗的估算方法。建立了IGBT电路仿真模型．给出了IGBT功率损耗与开关频率和栅极电阻阻值之间关系的仿真结果。最后,给出了功率损耗的计算方法．对不同开关频率和不同栅极电阻时的功率损耗进行了定量计算。结果表明,增大开关频率和栅极电阻会使IGBT的功率损耗增加。     

智能电网用户端 讲座 第四讲 间歇式能源并网技术与储能

为满足智能电网发展的需求,研究了大规模集中间歇式新能源并网技术、大容量储能技术、电力电子等设备在提高间歇式电源接入能力的应用技术基础上,结合智能配用电系统来研究分布式电源并网控制技术、电动汽车充电桩和电网的交互影响、电能质量监测和治理技术,形成智能配用电多元化的互动运营模式。最后得出适应于现代电力系统的智能电网的技术方案,满足智能电网自愈、兼容,高效利用能源的要求。     

基于文献计量的我国功率半导体器件研究状况分析

电力电子器件又称为功率半导体器件,是电力电子技术的核心。基于文献计量的方法对我国功率器件领域的理论创新情况进行可视化研究。以知网数据库2010~2019年间发表的科技论文作为数据源,借助Ucinet软件对我国功率器件在热点领域、研究机构、基金分布等方面进行分析。得知我国在该领域的发展状况主要为:1)研究重点大多集中在如何提高Si基IGBT和SiC基MOSFET的可靠性、工作效率等性能;2)应用领域多集中于电动汽车、电力电子器件、光伏逆变器、微波和开关电源;3)研究机构以科研院所和高校为主;4)基金项目主要以国家基金为主,诸多省市对于功率器件领域的基金项目尚是空白。分析结果旨在为政府部门及国家相关机构把控功率器件领域的知识创新情况和技术发展趋势提供参考。     

New Power Semiconductor Devices for Future Generations of Power Supplies

Power Semiconductors are still the driving force for many power electronic systems.In this paper the development of the key power semiconductors devices for power supplies are shown,and their electrical performance discussed.Future directions of the major power semiconductor devices like the IGBT,Super Junction technology and SiC device will be explained.     

试论江苏电网稳定控制技术应用的构想

阐述了当前国内外电网稳定控制技术现状及发展趋势，结合江苏电网网架建设情况及电网稳定主要矛盾，对江苏电网稳定控制技术的应用及安全自动装置配置的构想与初步实现进行了论述。     

直流电网暂态过电压机理与抑制策略

在柔性直流输电系统受扰后,当直流电网存在盈余不平衡功率时,将导致直流过电压问题,进而对IGBT、电容器等器件造成不可逆的损坏。针对直流电网故障下的直流过电压问题,首先分析了不平衡功率导致直流过电压的机理,得到了直流电压与直流电网内不平衡功率的定量关系;然后提出一种抑制直流电压上升的虚拟调制控制策略,并针对单极和双极2种故障类型采取2种不同控制策略;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证发生受端短路故障、受端单站闭锁故障和受端单极闭锁故障3种典型故障时所提控制策略的有效性。仿真结果表明,虚拟调制控制策略能有效地延缓直流电压上升速度,与耗能装置配合可以显著降低耗能装置的投入容量。     

IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。     

南方电网大功率电力电子技术的研究和应用

大功率电力电子技术及其应用有利于提高电力系统的安全稳定和电能质量,推动着电网技术的进步.南方电网公司承担了多项涉及对高电压、大功率电力电子技术的国家级科技项目,已将多套先进的电力电子装置投入到所建成的多项高压直流输电工程中.阐述了南方电网在高压直流输电、直流融冰、SVC、串补、静止同步补偿装置、柔性直流输电和新能源等领域,对大功率电力电子技术的研究和应用所取得的成果及相关的示范工程,显示了南方电网积极推动大功率电力电子技术的发展对电网科技进步做出的突出贡献.