基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法技术

本发明专利技术公开了基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，所述方法包括：在Sentaurus TCAD中使用SDE工具完成UHVDC晶闸管建模；在Sentaurus TCAD中使用Sdevice工具将温度、阳极电压、门极脉冲电流峰值、主回路电阻作为可变量，对模型进行多工况组合仿真；在SentaurusTCAD中使用Svisual工具进行热敏感参数的提取，热敏感参数包括通态压降、开通电流上升率、门极控制延迟时间；本发明专利技术的优点在于：能够提取UHVDC晶闸管全工况范围下的热敏感参数，为晶闸管实时结温检测、换流阀载流量边界估计及安全运行状态研究等工作提供可靠的数据来源。的数据来源。的数据来源。

【技术实现步骤摘要】
基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法


[0001]本专利技术涉及特高压直流输电及半导体器件领域，更具体涉及基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法。

技术介绍

[0002]我国一次能源与负荷需求东西逆向分布的特点决定了发展特高压直流输电的必要性。特高压古泉站是华东地区最大的电力传输枢纽，设备规模大、首台首套设备多的换流站。日常运行和维护中，系统供电方式变化、设备检修、新设备投运等因素都要求继电保护装置运行模式的相应改变，因此换流站内部的参数配置需根据变化的运行模式做出调整。由此而来，二次控保系统的运行参数调整和阈值整定等任务给站内一次设备安全运行带来极大不确定性，使得换流站运维和设备管理过程安全风险陡增。目前，换流站日常控保逻辑修改缺乏校验手段，无法像交流系统一样进行二次通流通压校验，亟需引入较为可靠的校验方法及测试手段。数字孪生(Digital Twin,DT)概念兼容了智能感知、云平台、大数据分析和人工智能等热门技术，在数字空间设计虚体模型并建立数字虚体与物理实体的实时映射关系，该模型要求能够更加真实、客观、全面地刻画物理实体的动态和实时特性。引入特高压换流站的数字孪生模型有利于实现一二次设备的多指标监测和全生命周期管理，在保持系统正常运行的同时开展站内设备检修及继电保护参数调试工作，大幅提升特高压直流输电系统调控便捷度和安全性。
[0003]载流量是换流站的最重要属性之一，其边界直接决定了换流站的功率传输能力。以往换流站载流量边界的计算采用粗放式的宽裕量计算方法，除了安全运行方面的考虑外，缺乏精细化的描述模型(建模中一般采用一个开关开代替上百个晶闸管串联的桥臂)，缺乏可靠的运行状态监测。得益于数字孪生概念与相关建模、传感器技术的发展，晶闸管级的建模与状态监测变得可能，基于数字孪生技术探寻更为精确的换流站载流量边界，能够在保证安全的前提下，更加充分的利用换流阀的功率传输能力，对于换流站功率输送计划的制定带来了更大的灵活性。
[0004]功率晶闸管是换流阀设备的核心组件，由于换流阀的串联结构，换流站的载流量实际上由晶闸管所能承受的最大电流决定，而晶闸管所能承受的最大电流又由其最高结温决定。受限于换流阀工作环境及传感技术，很难实现对功率晶闸管级的结温监测。而通过对晶闸管建模能够有效监测晶闸管工作状态以及结温，从而进一步促进换流站载流量边界的探寻。
[0005]随着计算机辅助工具的不断发展，有限元分析(EFA)方法逐渐被利用到功率器件的电路仿真中来。半导体工艺模拟以及器件模拟工具(Technology Computer Aided Design，TCAD)是一种半导体有限元建模工具，其模型基于底层物理机理，能够充分反映半导体内部的底层物理特性。借助TCAD工具对于UHVDC晶闸管进行建模、校准，使得其能够反映器件的主要特性。通过仿真方法获取UHVDC晶闸管全工况范围内的工作特性并提取热敏感参数，不仅能够有效降低热敏感参数提取成本，全工况范围下的结温
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热敏感参数关系更
可以为晶闸管实时结温检测、换流阀载流量边界估计及安全运行状态研究等工作提供可靠的数据来源，具有重要的工程实践价值。但是目前对于UHVDC(特高压直流输电)晶闸管而言，缺乏热敏感参数提取的方法，仅仅有少量现有技术提到了UHVDC晶闸管建模，例如中国专利公开号CN112948960A公开了一种高功率微波对调频引信效应的联合仿真方法虽然提到了使用TCAD建模，但是没有说明如何建模以及如何基于晶闸管模型进行热敏感参数提取，例如中国专利公开号CN107622172A公开了芯片
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器件层级联合的压接式IGBT温度场有限元建模方法，其直接从外部(ATHENA或DevEdit)导入模型，同样没有说明如何建模及如何基于晶闸管模型进行热敏感参数提取。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于现有技术缺乏对于UHVDC晶闸管进行热敏感参数提取的方案，从而无法为晶闸管实时结温检测、换流阀载流量边界估计及安全运行状态研究等工作提供可靠的数据来源。
[0007]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，所述方法包括：
[0008]步骤一：在Sentaurus TCAD中使用SDE工具进行晶闸管几何结构建模，使用Sdevice工具搭建特性测试电路并进行特定工况仿真，根据仿真结果对模型参数调整，使其符合特性指标，完成UHVDC晶闸管建模；
[0009]步骤二：在Sentaurus TCAD中使用Sdevice工具将温度、阳极电压、门极脉冲电流峰值、主回路电阻作为可变量，对模型进行多工况组合仿真；
[0010]步骤三：在Sentaurus TCAD中使用Svisual工具进行热敏感参数的提取，热敏感参数包括通态压降、开通电流上升率、门极控制延迟时间。
[0011]本专利技术首先对UHVDC晶闸管建模，然后将温度、阳极电压、门极脉冲电流峰值、主回路电阻作为可变量，对模型进行多工况组合仿真，然后进行热敏感参数的提取，获取UHVDC晶闸管全工况范围下的热敏感参数，为晶闸管实时结温检测、换流阀载流量边界估计及安全运行状态研究等工作提供可靠的数据来源。
[0012]进一步地，所述步骤一包括：
[0013]步骤101：在TCAD集成的SDE工具中对晶闸管进行几何结构建模；
[0014]步骤102：在SDE工具中设置晶闸管模型的电极接触面及接触材质；
[0015]步骤103：在SDE中对晶闸管模型先施加低浓度N型掺杂，再施加高斯掺杂叠加，完成阳极区、门极区、阴极区的划分；
[0016]步骤104：在SDE中对模型进行网格划分；
[0017]步骤105：在Sdevice中声明物理参数模型描述物理过程；
[0018]步骤106：在Sdevice中使用准静态扫描仿真验证模型的静态阻断特性，若静态阻断特性正确则进入下一步骤，否则返回步骤103，降低N
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漂移区掺杂浓度及其他区域的掺杂深度，或者增大步骤101中的整体器件尺寸；
[0019]步骤107：在Sdevice中搭建脉冲测试电路，使用动态仿真验证模型在门级电流脉冲下动态通断特性，若动态通断特征正确则完成UHVDC晶闸管建模，否则返回步骤103调整阳极区、门极区的掺杂浓度或阳极区、门极区的掺杂范围。
[0020]更进一步地，所述步骤101包括：
[0021]根据晶闸管芯片实物外观尺寸或晶闸管器件手册给出的芯片尺寸在TCAD集成的SDE工具中对晶闸管芯片进行几何结构建模。几何结构建模采用晶胞建模方法，晶胞建模方法对于体积非常大的UHVDC晶闸管芯片，节约了大量的计算资源，使得能够在较短时间内得到仿真结果。晶胞建模方法需要计算面积因子Area Factor，通过公式计算面积因子Area Factor，式中，V为晶闸管的体积，单位为μm3，S为其完整截面的截面积，单位为μm2，分母中的1表示2D模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：在Sentaurus TCAD中使用SDE工具进行晶闸管几何结构建模，使用Sdevice工具搭建特性测试电路并进行特定工况仿真，根据仿真结果对模型参数调整，使其符合特性指标，完成UHVDC晶闸管建模；步骤二：在Sentaurus TCAD中使用Sdevice工具将温度、阳极电压、门极脉冲电流峰值、主回路电阻作为可变量，对模型进行多工况组合仿真；步骤三：在Sentaurus TCAD中使用Svisual工具进行热敏感参数的提取，热敏感参数包括通态压降、开通电流上升率、门极控制延迟时间。2.根据权利要求1所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤一包括：步骤101：在TCAD集成的SDE工具中对晶闸管进行几何结构建模；步骤102：在SDE工具中设置晶闸管模型的电极接触面及接触材质；步骤103：在SDE中对晶闸管模型先施加低浓度N型掺杂，再施加高斯掺杂叠加，完成阳极区、门极区、阴极区的划分；步骤104：在SDE中对模型进行网格划分；步骤105：在Sdevice中声明物理参数模型描述物理过程；步骤106：在Sdevice中使用准静态扫描仿真验证模型的静态阻断特性，若静态阻断特性正确则进入下一步骤，否则返回步骤103，降低N
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漂移区掺杂浓度及其他区域的掺杂深度，或者增大步骤101中的整体器件尺寸；步骤107：在Sdevice中搭建脉冲测试电路，使用动态仿真验证模型在门级电流脉冲下动态通断特性，若动态通断特征正确则完成UHVDC晶闸管建模，否则返回步骤103调整阳极区、门极区的掺杂浓度或阳极区、门极区的掺杂范围。3.根据权利要求2所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤102包括：在SDE工具中对晶闸管模型从上到下依次划分阴极区、门极区、基区和阳极区，将阳极区在X轴方向的下表面全部设置为阳极接触，将阴极区在X轴方向的上表面全部设置为阴极接触，将门极区在X轴方向的上表面部分设置为门极接触，其中门极接触和阴极接触之间留有15％表面尺寸为无电极接触区域，接触材质设置为铝；X轴为晶闸管模型的宽度方向，Y轴为晶闸管模型的厚度方向。4.根据权利要求2所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤103包括：在SDE工具中首先对整个几何结构放置低浓度的N型均匀掺杂，再在各区域远离中心方向的边界上设置高斯掺杂基线，最后根据高斯掺杂基线，向N
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漂移区方向施加高斯掺杂，其中阳极区、门极区施加P型掺杂，阴极区施加N型掺杂。5.根据权利要求2所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤104包括：非PN结方向，设置最大网格尺寸为该方向器件尺寸的1/8，在PN结方向，设置最大网格尺寸为该方向的1/30左右，并在PN结及电极接触处使用最小网格尺寸，且设置最小网格处网格尺寸以1.3倍膨胀速度向远离PN结的方向膨胀至最大网格尺寸。
6.根据权利要求2所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤106包括：使用Sdevice的Quasi stationary准静态扫描方法验证模型的静态阻断特性，设置初始阳极电压条件为0，设置两步Quasi stationary求解边界条件，第一求解边界条件为阳极电压1kV，第二求解边界条件为阳极电压
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1kV；观察仿真结果中的阳极电流
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阳极电压曲线，若阳极电流不超过50mA，则认为正向阻断特性正确，进入下一步骤，反之，则降低步骤103中的N
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漂移区掺杂浓度及其他区域的掺杂深度，或者增大步骤101中的整体器件尺寸。7.根据权利要求2所述的基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏感参数提取方法，其特征在于，所述步骤107包括：在S...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙辉，周煦骐，彭勃，俞斌，张军，刘孝辉，肖华锋，高博，徐斌，汪玉，丁津津，张峰，汪勋婷，谢毓广，王同文，谢民，汪伟，邵庆祝，罗沙，谢佳，张骏，于洋，李晓彤，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司东南大学国网安徽省电力有限公司超高压分公司南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：