Thyristoren für HGÜ-Anwendungen Stand der Technik

Neue Generationen der Hochleistungs-Thyristoren widerstehenselbst höchsten, schwankenden Stoßströmen bei Sperrspannungen.
Neue Generationen der Hochleistungs-Thyristoren widerstehen selbst höchsten, schwankenden Stoßströmen bei Sperrspannungen.

Hochleistungs-Thyristoren sollen in HGÜ-Übertragungssystemen von bis zu 11 GW und Spannungen bis zu ±1100 kV eingesetzt werden [1]. Neue Generationen widerstehen aufgrund von integrierten Schutzfunktionen und einer Niedertemperatur-Verbindungstechnologie selbst höchsten Stoßströmen bei höchsten Sperrspannungen.

Um die wirtschaftliche Übertragung großer Mengen an elek­tri­scher Energie von Stromerzeugungs- zu Lastzentren zu ermöglichen, hat sich die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) unter Verwendung von netzgeführten Umrichtern (LCC) als die bevorzugte Technologie etabliert. Obwohl in den letzten Jahren selbstgeführte Umrichter (VSC) mit IGBT zunehmend an Bedeutung gewonnen haben, werden Thyristoren immer noch für Anwendungen eingesetzt, bei denen extrem hohe Spannungen und hohe Stromstärken gesteuert werden müssen. Das liegt am besseren Leistungsverhalten dieser Leistungshalbleiter in Bezug auf Durchlassverluste und symmetrische Sperrfähigkeit. Thyristoren (Bild 1) werden auch in statischen Blindleistungskompensatoren (SVC) wie thyristorgeschalteten Kondensatoren (TSC) und thyristorgesteuerten Drosselspulen (TCR) verwendet. Außerdem werden bipolare Halbleiterscheiben als Bypass-Thyristoren (Crow Bar) oder Freilaufdioden in HGÜ-VSCs eingesetzt.

Während auf der einen Seite HGÜ-Übertragungen immer wichtiger werden und die installierten Übertragungskapazitäten sehr schnell zunehmen, fordern auf der anderen Seite viele Kunden verstärkt niedrigere Kosten und eine erhöhte Zuverlässigkeit sowie Verfügbarkeit. Verlängerte Wartungsintervalle sind ein weiteres Thema, das an Bedeutung zunimmt. Ein gangbarer Weg, diese beiden Ziele zu vereinen, ist die Reduzierung der Komplexität bei Thyristor-Umrichtern. Dies kann z.B. durch die Verringerung der Anzahl von in Reihe geschalteten Elementen erreicht werden, wobei gleichzeitig die Anzahl der Hilfskomponenten auf den Thyristor-Ebenen reduziert wird.

Die erforderliche höhere Sperrspannungsfähigkeit der Thyristoren kann dabei nicht nur durch Vergrößerung der Dicke der Siliziumscheiben (was auch die Verluste vergrößern würde) erreicht werden. Auch eine realistischere Definition und Anwendung von Testverfahren ist hier hilfreich. Denn die tatsächliche Spannungsbelastung in einem Umrichter ist nicht sinusförmig, sie enthält steile Spannungsänderungen sowie sich wiederholende hohe Spannungstransienten, die durch das Schalten/Kommutieren der Thyristoren verursacht werden. Somit würde die Verwendung realistischerer Wellenformen für Thyristor-Tests eine bessere Ausnutzung der Spannungsfähigkeiten des Thyristors ermöglichen. Entsprechende Untersuchungen wurden vorgenommen und führten zu einem Testverfahren, das eine Sinuswellen-Sperrspannung mit einer überlagerten kurzen Spitzenspannung verwendet.

Eine andere Möglichkeit, um die Komplexität der Ventile zu reduzieren, ist die Integration elektronischer Funktionen in den Thyristor, die bisher in den Ventilen als separate elektronische Platinen implementiert sind. Nach der Eliminierung der Notwendigkeit elek­trischer Triggerschaltungen und der Integration des Überspannungsschutzes wie auch des dU/dt-Schutzes ist nun auch das letzte Problem, nämlich der Schutz gegen Vorwärts-Spannungstransienten während der Freiwerdezeit, sprich: der Freiwerdeschutz, gelöst.

Die Lösung besteht aus einer Kombination von Thyristor-Modifikationen und der Anwendung eines zusätzlichen optischen Triggerimpulses als Ersatz der vorher notwendigen elektronischen Platine. Gemäß dem Sprichwort „Was nicht vorhanden ist, kann nicht ausfallen“ werden mit dem Verzicht auf externe elektronische Komponenten Kosten eingespart und die Zuverlässigkeit verbessert.

Für Ultrahochgleichspannungsübertragung (UHGÜ, z.B. 10 GW, 800 kV) werden DC-Übertragungsströme von 6250 A sowie sehr hohe Stoßstöme benötigt. Sollte ein Thyristorventil seine Sperrfähigkeit verlieren, löst das in derselben Halbbrücke am nächstliegenden Ventil einen Zweiphasen-Kurzschluss des Transformators aus. Aufgrund der geringen Impedanz der für diese Art der Verbindung notwendigen Hochleistungstransformatoren steigen die Kurzschlussströme von 50 kA in „konventionellen“ 800-kV-Verbindungen auf mehr als 60 kA in dieser zukünftigen Anwendung.

Um dieser Anforderung gerecht zu werden und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit der Thyristor-Umrichter zu verbessern, wurden die bisher verwendeten elektrisch gezündeten 6-Zoll-Thyristoren [2] zu einem mit Lichtimpulsen gezündeten 6-Zoll-Thyristor erweitert. Damit werden die Nennstrom-Anforderungen (6250 A) und die Kurzschlussstrom-Anforderungen (>70 kA) erfüllt, die Spannungsfestigkeit konnte aufrechterhalten werden (tatsächlich wurde sie sogar leicht auf URRM = 9,5 kV erhöht). In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass die Konstruktion und Technologie für geringe Verluste (Einschaltzustand und Ausschalten) durch optimierte Ladungsträger-Lebensdauersteuerung für weiterentwickelte HGÜ-Übertragung immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Schlüsseltechnologien für bipolare Halbleiter

Die Vorteile des durch Lichtimpuls gezündeten Thyristors können ausgenutzt werden, wenn sichere. fehlerausschließende Strukturen implementiert sind, die das Gerät für den Fall schützen, dass die Grenzen der Vorwärts-Sperrspannung oder die Spannungssteilheit dU/dt überschritten werden. Die integrierte Überspannungs-Schutzfunktion durch Breakover-Diode (BOD) bietet hierfür ein effizientes und zuverlässig gesteuertes Einschalten, wenn die Vorwärts-Sperrspannung Werte zwischen 8 und 9,5 kV [3] erreicht. Neben dieser Überspannungs-Schutzfunktion wurde ebenfalls eine dU/dt-Schutzfunktion in den Thyristor integriert [4].

Niedertemperatur-­Verbindungstechnologie

Die Niedertemperatur-Verbindungstechnologie (NTV), die auf dem Prinzip des Diffusionsschweißens basiert, sichert im Vergleich zu einem nicht verbundenen Aufbau (Free Floating, FF) wegen der metallurgischen Verbindung einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen Silizium- und Molybdänscheibe. Damit wird eine Anhebung der maximalen Betriebstemperatur ermöglicht. Stoßstrombelastbarkeit (ITSM), vor allem für HGÜ-Anwendungen, sowie Sperrfähigkeit (VRRM) und Langzeit-Sperrstabilität werden deutlich erhöht [2]. Dies kann wie folgt belegt werden:

Schlüsselparameter für Silizium-Wafer

Der gegenwärtige Stand der Technik in der Silizium-Wafer-Technologie ermöglicht die Herstellung von hochreinen und fehlerfreien n-Fließzonen-Silizium-Wafern, die für hohe Sperrspannungen von bis zu 9,5 kV benötigt werden. Diese Wafer werden über Neutronenumwandlungen dotiert, um eine homogene Widerstandsverteilung über den gesamten Wafer in der n-Zone zu erreichen (Bild 2a). Der spezifische Widerstand befindet sich im Bereich von 430 Ω/cm bis 500 Ω/cm. Die typische Standardabweichung für einen vorgefertigten Wafer beträgt weniger als ein Prozent.

Eine extrem niedrige Konzentration von Verunreinigungen im Basisbereich von Leistungsbauteilen ist sehr wichtig, um geringe Leckströme und Durchlassspannungen zu erreichen. Außerdem ist so eine gut definierte Steuerung der Lebensdauer z.B. durch Elektronenbestrahlung möglich. Das macht hochreine Diffusionsprozesse zwingend erforderlich. Leerstellenagglomerate wie D-Defekte im Ausgangsmaterial und folglich die Ablagerung von Verunreinigungen darin sind durch eine Vorbehandlung wie Oxidation oder POCl3-Diffusion [5] zu vermeiden. Wafer, die auf diese Weise vorbehandelt sind, zeigen eine sehr hohe Ladungsträger-Lebensdauer von bis zu 2 ms (Bild 2b) und damit ein reproduzierbares Verhalten nach Lebensdauer-Steuerung in Bezug auf eine definierte Beziehung zwischen Sperrverzögerungsladung und Durchlassspannung.

Zur Evaluierung der maximalen Sperrfähigkeit wurden lichtgezündete 4-Zoll-Thyristoren (LLT; 8 kV) einer Zerstörungsprüfung unterzogen. Das Bauteil (Bild 3) wurde für einige Sekunden einer sehr hohen wiederholten Rückwärtsspannungsbelastung bei 50 Hz und einer Temperatur von 373 K ausgesetzt, bevor es ausfiel. Die angelegte Spannungswellenform setzt sich zusammen aus einer Basis-Sinuswelle mit ausgewählter Amplitude von 8 kV, überlagert mit einer Spitzenspannung von 2,2 kV und einer Impulsbreite von 300 µs. Dies repräsentiert eine URRM von 10,2 kV. Der Sperrstrom an der Spannungsspitze erreichte sehr hohe Werte zwischen 2 A und 12 A. Zu erwarten wäre hierbei ein Ausfall am Rand der Thyristoren, im Übergangsbereich der Sperrschicht; tatsächlich befindet sich der Ausfall im metallisierten Wafer (Bild 3). Dieser Hotspot wird durch eine lokale thermische Instabilität verursacht, die durch das Fehlen einer thermischen Kopplung zwischen GateFinger-Bereich und der Kontaktscheibe zurückzuführen ist, sowie durch die reduzierte Sperrfähigkeit im Wafer-Bereich in der Nähe des Minimums des spezifischen Widerstands. Um diese sehr hohe Rückwärts-Sperrspannungsfähigkeit zu bestätigen, wurden etwa 1800 Bauteile von 4-Zoll-LTT (8 kV) erfolgreich mit einer wiederholten Spitzen-Rückwärtsspannung URRM von 9,6 kV bei RT und 10,0 kV bei 373 K belastet, in beiden Fällen mit einer Basis-Sinuswelle von 8,0 kV. Die Testdauer betrug 6 s, was einer Zahl von 300 Überspannungsimpulsen entspricht. Diese periodische Sperrspannungsfähigkeit kann nur aufgrund der NTV-Technologie erreicht werden, bei der der ganze Wafer einschließlich des Randes mit der Molybdänscheibe verbunden ist. Nur so kann die Verlustleistung während des hohen Sperrstromflusses vollständig abgeführt werden.