Thyristoren für HGÜ-Anwendungen

Stand der Technik

08. Dezember 2015, 13:39 Uhr   |  Von Jens Przybilla, Uwe Kellner-Werdehausen, Dr. Sebastian P. Sommer, Dr. Mario Schenk


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Der Freiwerdeschutz (FWS)

Ein konventioneller Thyristor ist während der Freiwerdezeit nicht voll geschützt, da der mittlere p-n-Übergang eine bestimmte Zeitdauer zum Erreichen der vollen Sperrfähigkeit benötigt. Wenn ein Vorwärts-Spannungsimpuls während dieser Freiwerdezeit ta auftritt, hängt die Empfindlichkeit des Thyristors von der Amplitude, dem dU/dt und dem genauen Zeitpunkt des Spannungsimpulses ab. Am kritischsten ist in diesem Fall, wenn große Bereiche des Bauteils bereits vollständig frei von Ladungsträgern sind und nur ein kleiner Teil im Bereich der Hauptkathode von dem Spannungsimpuls angeregt wird. Dies kann zu Strom-Filamentierung führen und das Bauteil zerstören. Um einen derartigen zerstörerischen Ausfall zu verhindern, sind HGÜ-Thyristoren durch eine externe Elektronik geschützt. Diese überwacht die Spannung am Bauteil und löst einen Triggerimpuls im Falle von kritischen Ereignissen aus.

Schematische Darstellung eines LTT mit Verteilung der Ladungsträger-Lebensdauer im Querschnitt
© Infineon

Bild 4. Schematische Darstellung eines LTT mit Verteilung der Ladungsträger-Lebensdauer im Querschnitt.(

Integrierter FWS

Der Schutz kann auch durch einen integrierten FWS realisiert werden. Zwei entscheidende Maßnahmen sind dabei zu kombinieren: Erstens muss die Verteilung der Ladungsträger-Lebensdauer modifiziert werden, sodass sie im Bereich der Hauptkathode des Bauteils im Vergleich zum Bereich des Amplifying Gate (AG) reduziert wird (Bild 4). Diese Maßnahme schützt die Initiierungsphase der Freiwerdezeit von etwa 300 µs bis 400 µs nach Kommutierung. Zweitens müssen zum Schutz der verbleibenden Zeit der Freiwerdezeit, also bis zu etwa 1000 µs, mehr Träger erzeugt oder injiziert werden. Dies wird z.B. durch implementierte Phosphorinseln (n-Inseln) im p-Emitter der inneren AG-Struktur [4] ermöglicht. Es ist allerdings noch keinem Leistungshalbleiter-Hersteller gelungen, solche Bauteile mit ausreichender Reproduzierbarkeit herzustellen. Daher muss eine andere Lösung gefunden werden, die auf diesem Prinzip des FWS basiert.

Darstellung der Ladungsträger-Lebensdauer (Elymat) im Bereich der Kathode eines 5-Zoll-LTT (8 kV) ohne (a) und mit (b) FWS nach Bestrahlung und entsprechender Vorbereitung
© Infineon

Bild 5. Darstellung der Ladungsträger-Lebensdauer (Elymat) im Bereich der Kathode eines 5-Zoll-LTT (8 kV) ohne (a) und mit (b) FWS nach Bestrahlung und entsprechender Vorbereitung.

Technologische Voraussetzungen und Wafer-Design

Die lokal erhöhte Lebensdauer im Gate-Zentrum kann durch Verwenden einer Metallmaske während der Elektronenbestrahlung implementiert werden. Hierzu werden die 2D-Lebensdauer-Abbildungen von konventionellen 5-Zoll-TT (8 kV) mit integrierten BOD und dU/dt-Schutz (Bild 5a) und der neuen FWS (Bild 5b) auf Basis einer modifizierten Lebenszeit in der Mitte der Gate-Fläche verglichen.

Die Lebensdauer wurde durch Elektronenbestrahlung bei 10 MeV so eingestellt, dass sie die HGÜ-Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften erfüllen, insbesondere mit Blick auf die Sperrverzögerungsladung und die Freiwerdezeit. In der Mitte innerhalb des Bereiches des Gates wurden sehr hohe Lebensdauern erreicht, die sehr nahe an denen vor der Bestrahlung liegen.

Neuer FWS durch zusätzliche ­Lichtimpulse

Das bei Thyristoren verbreitetste herkömmliche Konzept des FWS löst nur aus, wenn eine kritische Stoßspannung auftritt. In diesem Fall wird sofort von der externen Elektronik ein zusätzlicher Lichtimpuls erzeugt. Aufgrund der langen Laufzeit des Lichtimpulses muss diese Elektronik nahe am Thyristor platziert werden. Das von der Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG vorgestellte FWS-Konzept sieht im Gegensatz dazu die Kombination einer technischen Maßnahme zur Realisierung einer höheren Lebensdauer im Amplifying Gate (AG) des Thyristors und eine Modifikation der optischen Auslösung auf der Benutzerseite vor.

Schema für den neuen FWS-Lichtimpuls
© Infineon

Bild 6. Schema für den neuen FWS-Lichtimpuls.

Das neue FWS-Konzept beruht auf einem zusätzlichen periodischen Lichtimpuls, der auf den LTT zu einer bestimmten Zeit tLI nach Stromende angewandt wird (Bild 6). Der Schutz-Lichtimpuls wird nicht nur bei Bedarf erzeugt, sondern ständig während der gesamten Betriebszeit. Er erzeugt Ladungsträger im optischen Gate mit seiner höheren Lebensdauer, die den Thyristor nur sicher einschalten, wenn ein fehlerhafter Stoßimpuls in Vorwärts-Sperrspannung auftritt. Die externe Schutzelektronik und die zugehörige Hilfskomponenten werden im neuen FWS-Konzept nicht mehr benötigt.

Zur Verifizierung der neuen FWS wurden zahlreiche 8-kV-LTT mit einem Vorstrom (IT = 3 kA) belastet. Die Zeit zwischen Stromende und der Anwendung des Schutz-Lichtimpulses tLI wurde auf einen Wert eingestellt, der den strengsten Schutzzustand darstellt. Die kleinste Zeit tLI wurde unter Berücksichtigung der Lichtimpuls-Laufzeit in der Anwendung ausgewählt. Mit Voruntersuchungen wurde an unzureichend geschützten Komponenten sichergestellt, dass die Test-Bauteile zerstört wurden (Stoßspannung UST = 7,5 kV; dUST/dt = 500 V/µs bis 1000 V/µs). Am kritischsten für einen Thyristor während des unbeabsichtigten Einschaltens in der Erholungszeit ist die Höhe der Stromstärke während der ersten Millisekunden. Die Wellenform der Stromstärke entspricht der eines dI/dt-Ereignisses mit einer sehr hohen Stromsteilheit im Bereich von 3 kA/µs. Wenn der Thyristor nicht im definierten Bereich innerhalb der inneren AR-Region eingeschaltet wird, wird er mit Sicherheit durch einen derartigen Einschaltstrom zerstört.

Ergebnisse zur Robustheit eines Bauteils unter verschiedenen Testbedingungen
© Infineon

Bild 7. Ergebnisse zur Robustheit eines Bauteils unter verschiedenen Testbedingungen.

Während die Amplitude der an den Thyristor in der Freiwerdezeit angelegten Stoßspannung UST bei etwa 7,5 kV konstant bleibt, wird die Amplitude der Spannung, die der Thyristor bis zur Kippspannung UST-bo sperren kann, durch verschiedene Parameter beeinflusst (Bild 7). Diese Parameter sind ta, die Zeit zwischen Aussetzung des Vorstroms und dem Beginn der Stoßspannung, die Temperatur und die Lichtleistung PLI. Bei Kippspannungen unter 3 kV steigt UST-bo langsam mit zunehmender Zeit ta. Dabei gibt es immer noch genügend überschüssige Ladungsträger im gesamten Bereich des Thyristors, um diesen auch bei kleineren Werten UST einzuschalten. Sobald die Restladung nahezu ausgeräumt ist, gibt es zu einer bestimmten Zeit ta oberhalb von etwa 3 kV einen abrupt steilen Anstieg in UST-bo bis zur maximalen Sperrspannung. In diesem Zeitraum ist es entscheidend, dass eine ausreichend hohe Anzahl an Ladungsträgern vorhanden ist, die durch den zusätzlichen Lichtimpuls innerhalb des optischen Gate für ein sicheres Einschalten des FWS weiter gesteigert werden kann. Eine Studie an mehreren hundert 5-Zoll-LTT, die bei gleichbleibender Temperatur und Lichtleistung getestet wurden, ergab eine Ausdehnung des Zeitfensters für diesen abrupten Anstieg der Kippspannung von etwa 200 µs. Es wird daher angenommen, dass im Fall eines Fehlerereignisses in einem Umrichterventil nur einzelne Thyristoren vom FWS ausgelöst werden, aber niemals alle auf einmal. Für alle getesteten Parameter (ta, T und PLI) konnte durch diesen Robustheitstest (Bilder 7) nachgewiesen werden, dass alle Bauteile mit der neuen FWS-Methode erfolgreich gegen Stoßspannungen während der Freiwerdezeit des Thyristors geschützt wurden.

Der Lichtimpuls-gezündete 6-Zoll-Thyristor

LTTs mit dem neuen FWS zeigen das gleiche Verhalten wie diejenigen mit dem bisherigen Konzept, wenn der zusätzliche Schutzimpuls nicht innerhalb der Freiwerdezeit ausgelöst wird. Die Thyristoren sind daher ohne Einschränkungen einhundertprozentig abwärtskompatibel und können in bestehenden Anwendungen eingesetzt werden, in denen das neue FWS-Konzept noch nicht realisiert wird. Die erhöhte Lebensdauer der Ladungsträger in der Mitte des Gate ist nur dann wirksam, wenn der LTT mit einem zusätzlichen Schutz-Lichtimpuls während der Erholungszeit beleuchtet wird.

Die beschriebenen Verbesserungen in der Thyristor-Technologie werden zeitnah zu effizienteren HGÜ-Thyristorventilen führen. Der 6-Zoll-LTT eignet sich für den Einsatz in allen zukünftigen Übertragungsprojekten mit DC-Strömen von 5000 A bis 6250 A und reduziert die Komplexität der Ventile erheblich, indem elektrische Trigger- und Schutzfunktionen eliminiert werden. Die Verwendung der Puls-Peak-Methode für die routinemäßige Prüfung der Spannungsfestigkeit ermöglicht die Nutzung einer Rückwärts-Sperrfähigkeit von 9,5 kV. Dies ermöglicht ein Reduzieren der in Reihe geschalteten Elemente in einem Ventil. Alternativ kann die Anzahl der Bauteile konstant gehalten werden, wenn sich die Spannungsbelastungen an einzelnen Elementen aufgrund höherer Beanspruchungen der Ventile bei ansteigenden Stromstärken bis zu 6250 A erhöht. Die erhöhte Sperrfähigkeit sowie die hohe Strom- und Stoßstrombelastbarkeit (140 kA/70 kA), die durch Niedrigtemperatur-Verbindungstechnologie (NTV) ermöglicht werden, erlauben die Abdeckung des gesamten Bereichs möglicher Anwendungen von 6-Zoll-Thyristoren mit einem einzigen Bauteil. Die integrierte Freiwerdeschutzfunktion wurde während der Routineprüfung mehrerer hundert LTT erfolgreich verifiziert. Da alle anderen Funktionen des Thyristors unverändert geblieben sind, kann die FWS-Funktion nun auch in allen anderen Typen von LTT implementiert werden.

 

Literatur

[1] Zehong, L.;Liying, G.; Jun, Y.; Jin, Z.; Licheng, L.: Research Work of ±1100 kV UHVDC Technology. State Grid Corporation of China. CIGRE 2014, Paris.
[2] Przybilla, J.; Dorn, J.; Barthelmess, R.; Joerke, R.; Kellner-Werdehausen, U.: Reaching New Limits with High Power Bipolar Devices. PCIM Europe 2010, Nürnberg. Seiten 761 – 766.
[3] Niedernostheide, F.-J.; Schulze, H.-J.; Dorn, J.; Kellner-Werdehausen, U.; Westerholt, D.: Light-Triggered Thyristors with Integrated Protection Functions. ISPSD 2000, Toulouse. Seiten 267 – 270.
[4] Schulze, H.-J.; Niedernostheide, F.-J.; Kellner-Werdehausen, U.: Thyristor with Integrated Forward Recovery Protection Function. ISPSD 2001. Seiten 199 – 202.
[5] Przybilla, J.; Dorn, J.; Barthelmess, R.; Kellner-Werdehausen, U.; Schulze, H.-J.;Niedernostheide, F.-J.: Diodes, and Thyristor – past, presence and future. 13th European Conference on Power Electronics and Applications EPE 2009. Seiten P1 – P5. [6] Vobecky, J.; Stiasny, T.; Botan, V.; Stiegler, K.; Meier, U.: New Thyristor Platform for UHVDC (>1 MV) Transmission. PCIM Europe 2014, Nürnberg. Seiten 54 – 59.

Seite 2 von 3

1. Stand der Technik
2. Der Freiwerdeschutz (FWS)
3. Die Autoren

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Smart Grids werden das »bisher komplexeste Artefakt der Menschheit«
MR modernisiert Phasenschieber der AÜW
Smart Energy größter Wachstumsbereich der E-World Essen
HGÜ-Erdverkabelung bekommt Vorrang

Verwandte Artikel

Infineon Technologies AG, INFINEON Technologies AG Neubiberg