电力系统及其自动化新技术课程报告题目智能电网技术专业电力

电力系统及其自动化新技术课程报告

题 目 智能电网技术 专 业 电力系统及其自动化 班 级 研1015 学 生 杨晓玲 学 号 1043010983

2011 年

智能电网技术

--关于15kV SiC IGBT的发展及其对电力应用的影响

摘要： 虽然硅晶体电力设备应用于电力电子工业已经有50多年，但是以硅为

基础的技术在功率处理和频率转换方面已受到限制。SiC有着击穿电场特别强，电子饱和漂移速度快，热导率高，耐高温等优势，特别适于制作高频、高速、高压、高功率器件。本文详细介绍了具有高压高频耐高温的SiC IGBT的出现将会对电力应用产生巨大的影响，并着重介绍了基于15kV SiC IGBT的固态变压器的优点。

引言

Si功率半导体器件的发展经历了如下三代[1]：

第一代——Si双极晶体管(BJT)、晶闸管(SCR)及其派生器件。

功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领域中已得到广泛应用。但是，由于这类器件的工作频率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在栅关断速度要求较低的场合(在kHz范围)。在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益P值一般也只能做到

第二代——功率MOSFET。

MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控电流极小(IG—100nA数晕级)。MOSFET是多子器件，因而可以在更高的频率下(100kHz以上)实现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多的安全工作区。正是因为这些优点，使功率MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成大量产品，并在实际中得到广泛的应用。

但是，功率MOSFET的导通电阻以至于跨导gm比双极器件以更快的速率随击穿电压增加而变坏，这使它们在高压工作范围处于劣势。

第三代——绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率半导体器件，兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。

商用的高压大电流1GBT器件仍在发展中，尽管德国的EUPEC生产的6500V／600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，但其电压和电流容量还不能完全满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压达到10kV以上，目前只能通过IGBT串联等技术来实现。

1、SiC IGBT的优势

SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料，与第一，二代半导体材料 Si和GaAs相比，SiC材料及器件具有以下优势：

(1)SiC的禁带宽度大(是Si的3倍，GaAs的2倍)，本征温度高，由此SiC功率 半导体器件的工作温度可以高达600℃。

(2)SiC的击穿场强高(是Si的10倍，GaAs的7倍)，SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高得多；由于功率半导体器件的导通电阻同材料击穿电场的立方成反比，因此SiC功率半导体器件的导通电阻比s i的同类器件的导通电阻低得多，结果其开关损耗便小得多。

(3)SIC的热导率高(是Si的2.5倍，GaAs的8倍)，饱和电子漂移速率高(是si及GaAs的2倍)，适合于高温高频大功率工作。SiC同Si一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长热Si02，，由此可以同Si一样，采用平面工艺制作各种SiC MOS相关的器件，包括各种功率SiC MOSFET及IGBT。与同属第三代半导体材料的ZnO，GaN等相比，Sic已经实现了大尺寸高质量的商用衬底，以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料，它们为Sic功率半导体器件的产业化奠定了良好的基础。

如上所述，尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的发展取得了令人瞩目的成绩，但是由于Si材料存在难以克服的缺点，它们使Si功率半导体器件的发展受到极大的限制。首先，Si较低的临界击穿场强Ec，限制了器件的最高工作电压以及导通电阻，受限制的导通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理想状态。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率入，限制了器件的最高工作温度(200℃)及最大功率。为了满足不断发展的电力电子工业的需求，以及更好地适应节能节电的大政方针，显然需要发展新半导体材料的功率器件。IGBT的新发展方向之一是SiC IGBT【2】。

具有高压高频耐高温的SiC IGBT的出现将会对电力应用产生巨大的影响，首先，以前认为不切实际的观念现在已经成为可能，例如，固态变压器（SST）的观点取代了传统的60HZ分布式变压器。固态变压器的不仅是一台变压器，而且故障电流限制器，一个无功补偿器，并凹陷恢复。这些优点使固态变压器非常有希望应用在未来的动力系统中。虽然SST有很多优点，比如重量轻，体积小，整功率因数等，但是现在SST已经没有发展空间，因为硅晶体半导体设备的转换频率已受到限制。随着15KV,5KHZ的转换频率SiC IGBT的发展，SST将会成为事实，就像20世纪70年代和80年代，开关式电源取代60HZ变压器成为功率转换的标准。固态变压器关键是减小传统变压器的大小和重量。这要通过增加的DC - DC转换器的工作频率，使被动元件尺寸和重量可以大大减少体积和重量来实现。为了和传统的变压器的大小和重量做比较，提出2.7MVA 固态变压器应用

在10KV碳化硅MOSFET技术。其次，它将会大大的改变现有的以电力电子装置为基础的电力应用设备，特别是交流输电系统（FACTS）,例如，传统的高压静态同步补偿器（STATCOMS）依赖多种拓扑结构或一系列连接设备来耐高压。高压SiC IGBT大大的简化了STATCOM的结构，同时，高转换频率改善了功率质量。有效利用风能太阳能等可再生能源发电，以后就会需要的变压器STATCOM就不多了。

由于后硅设备具有可控性，SIC IGBT（正在开发中）适合这些应用，这些应用具有低损耗，开关速度快，耐用的切换能力和高温性。在这篇文章中，对15kVN沟道SIC IGBT进行了设计和优化，以及讨论SST应用实例中SIC IGBT对实际应用的实质影响。

2、15-kV SIC IGBT 的设计与优化

图1给出了15-kV N沟道4H-SIC IGBT的半单元截面图。4H-SIC n+衬底上生长有外延层。厚3um、1*1019cm-3掺杂的p+发射极层是第一个外延层。其后是n型底部缓冲层（场塞），厚5um，掺杂浓度1*1017cm-3，可以防止场击穿，同时实现了较好的性能这种。IGBT的n-漂移层厚150?m，掺杂浓度4.5*1014cm-3，用来阻断5kV电压。生长在漂移层地步的厚3?m、重掺杂n型电流增强层（CEL）用来减低JFET区的阻抗，并且增强漂移层在导电状态下的传导率。4H-SIC外延层生长之后，n+衬底用化学机械抛光（CMP）进行移除。p阱和铝一起被植入0.5?m。n+阱与p+阱接触，将选择性地分别植入氮和铝。通过电子束摄影可以确定沟道长度为0.7?m。晶胞中两个p阱区之间的JFET区的宽度为5?m。门极氧化层厚度约为500A【3】。接着，5000nm的多晶硅层将退化掺杂形成门电极，并通过反应离子干法刻蚀（RIE）形成图案。铝镍触点堆积成为p型欧姆金属，镍作为发射机的n型欧姆金属。然后镍的背面触点将堆积成集电极。铝和金属表层将分别在前面和后面进行堆积。

图1 15kV SIC IGBT 结构示意图

图2 15kV SIC IGBT与MOSFET的仿真正向I-V曲线

图2给出了高温下15kV碳化硅IGBT和MOSFET的仿真正向电流-电压曲线。仿真研究表明，在集电极电流密度为30A/cm2时，15kV碳化硅IGBT能达到6.2V的正向压降，室温下漂流层双极性载流子寿命1.2?s以及温度400K时正向压降为5V。与15kV碳化硅MOSFET相比，碳化硅IGBT表现出了更好的导通特性，特别是在高温和大电流密度情况下。