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摘要：我国能源基地和工业用电负荷中心相距遥远，大型水电基地、大型煤电基地和风能基地主要分布在西南和西北地区，而用电负荷中心主要集中在我国东部、南部及中部地区等经济发达地区，能源中心和负荷中心相差1 000~3 000 km 或更远，高压直流输电，特别是特高压直流输电发挥着越来越重要的作用。
关键词：±800kV/8GW特高压直流工程；换流阀晶闸管设计优化；
高压等级越来越高，常规±500 kV，发展到 ±660 kV 和 ±800 kV，目前正在规划建设特高压直流工程；正在规划的 特高压直流输电工程是目前世界上电压等级最高、电流容量最大、输送功率最大的直流工程。
一、概述
当前我国特高压直流输电工程的主接线方式为每极脉动换流器串联，而脉动阀组由换流变压器主接线方式不同脉动换流器组成，其基本功能由换流阀设备实现。系统的输送功率取决于电流容量及输电系统电压等级，对于直流工程而言，高电压通过换流阀中晶闸管器件的串联来实现，系统电流容量则取决于单只晶闸管的通流能力。若晶闸管动态特性的一致性未得到有效控制，在关断时刻会出现较为严重的电压分布不均，使得少数晶闸管器件耐受更高的电压应力，影响其长期运行稳定性，易造成晶闸管失效。对于晶闸管器件，通过合适的工艺手段和应用过程中对器件参数的选配以提高换流阀中晶闸管参数均匀性，是改善阀内电压分布、提高系统可靠性的有效手段。
二、±800kV/8GW特高压直流工程换流阀晶闸管设计优化
1.电压阻断能力。直流输电换流阀高电压承受能力是通过晶闸管多级串联实现的，晶闸管的正、反向阻断电压越高，换流阀中晶闸管的串联级数就越少。减小晶闸管串联级数有益于提高系统的稳定性和可靠性。因此，对于特高压直流输电工程应用，应通过合理选用晶闸管芯片单晶材料的片厚和电阻率、优化芯片结构设计和制造工艺，协调好器件的电流容量与耐压能力。晶闸管电压阻断能力首先取决于芯片的基区厚度、电阻率、扩散参数，这些参数决定了芯片的体内耐压水平。晶闸管正向电压主要由正向阻断承受，因此要选择好合适的单晶电阻率和片厚。由于芯片边缘电场的影响，芯片设计电压能否实现还取决于芯片边缘台面造型和钝化保护工艺。高压晶闸管基于全压接技术，芯片边缘采用双负角造型，以降低边缘电场强度并使芯片边缘电场强度低于体内的耗尽层，而不是终端的边界，从而确保芯片台面击穿电压高于其体内耐压。因此通过合理的台面造型，能有效降低边缘电场，从而实现芯片设计电压。通过台面尺寸和芯片长基区厚度、掺杂等参数的合理搭配和优化，改善芯片内部电场分布。当器件承受电压时，相应的阻断结会产生耗尽并形成电场，一旦某一局部电场（包括耗尽区和边缘台面终端区）超过硅材料的临界击穿电场强度，芯片就会被电场击穿而失效。因此在器件的正常使用条件下，都要使实际电压低于器件的额定电压，从而使芯片内部电场低于其临界电场强度，以确保器件电压的长期稳定性。双负角台面造型，工艺相对简单，便于后续台面的腐蚀与钝化保护，特别是便于台面类碳金刚石薄膜钝化工艺的实施，在芯片边缘的清洁表面通过反应离子刻蚀工艺沉积一层半绝缘DLC 薄膜作为钝化保护膜，调整台面界面电荷分布，确保边缘表面状态稳定和器件耐压的长期稳定性。
对于晶闸管来说，其耐压能力与电流容量是相互矛盾的，因此，设计时必须在单晶电阻率、片厚、杂质分布及基区少子寿命之间进行优化和折衷，在确保耐压的前提下，尽可能降低基区厚度、保持较高的基区少子寿命，以使晶闸管的正向导通损耗控制在一个比较低的水平，确保器件的通流能力，使器件的电流容量和耐压能力能同时满足特高压直流换流阀的应用要求。为了确保晶闸管在运行过程中的长期可靠性，设计时还要考虑电压和电流的合理安全裕量。
2.动态特性。晶闸管的动态特性包括开通特性和关断特性，具体体现在电流上升率（di/dt）、电压上升率（du/dt）、门极特性、开通时间、关断时间以及反向恢复电荷等参数，良好的动态特性主要通过优化门－阴极图形、短基区杂质浓度分布和电子辐照来进行调整。在特高压直流换流阀用晶闸管的设计中，阴极短路图形得到了进一步优化，晶闸管具备很强的（断态电压临界上升率）能力。通态电流临界上升率耐量是器件另一个重要的动态参数，改变其它尺寸也能得到类似的结论。门极面积增大，则会使阴极面积减小，导致导通损耗增加。辅助晶闸管的设计也很关键，只有辅助晶闸管迅速开通并且给放大门极提供足够的电流才能对晶闸管进行强触发。因此，门极图形的优化需要综合考虑以上各种因素，在各个相关参数间取得折衷和优化。例如增加放大门极的周长，可以增加初始开通的晶闸管面积，设计合适的门阴极图形可以实现电流密度分布更均匀和缩短开通区扩展的距离，从而提高晶闸管的耐量。
3.控制技术。特高压直流输电换流阀牵涉到数百只晶闸管的串联，由于器件参数与特性的差异使得换流阀中晶闸管两端电压不尽相同。在闭锁状态下，晶闸管的漏电流特性不同，串联后承受的电压也不同；在晶闸管关断过程中，反向恢复电荷的差异也可能造成阀内部电压分布不均。尽管换流阀会通过设计合适的阻容电路参数来改善高压晶闸管阀的静态与动态电压均匀，但通过合适的工艺手段和应用过程中对器件参数的选配，以提高换流阀中晶闸管参数均匀性，始终是改善阀内电压分布、提高系统可靠性的重要选项。换流阀内晶闸管两端的静态电压分布与动态均压差异来源于器件的漏电流和反向恢复电荷的差异，阀内静态电压分布通过电阻均压来实现；而晶闸管两端动态电压差与其反向恢复电荷差成正比，通过阻容电路来改善晶闸管动态均压。控制晶闸管的反向恢复特性是特高压直流输电换流阀用晶闸管制造中的重要一环，通常采用电子辐照或质子辐照方式。质子辐照由于质子本身质量比较大，不能透射晶闸管芯片，只能在芯片的局部形成复合中心，对寿命的影响只是局部的而电子辐照通常能穿透整个芯片，在芯片内部形成较均匀的复合中心。电子辐照由于设备和工艺相对简单，在大功率半导体器件的制造工艺中得到了广泛应用。电子辐照技术是利用高能电子轰击晶闸管芯片表面，并把芯片中硅原子从其正常的晶格位置移开，形成空位和间隙，在晶闸管芯片晶格中引入适量的深能级复合中心，从而影响芯片内部载流子的产生–复合机制，通过少子寿命的控制调整芯片静态参数与动态特性。电子辐照能有效降低半导体内的少子寿命，辐照剂量越高，载流子寿命将越低。寿命低则意味着复合也就越快，那么总电流中的复合电流成分增加，电导调制效应被削弱。辐照剂量越高，晶闸管中基区的载流子注入水平就会越低。注入的少子需要在反向恢复过程中抽取出去，注入得越少，那么恢复越快，动态特性就越好。但由于少子注入水平降低，电导调制效应会相应减弱，器件通态压降将增加，导致通态功耗升高，即正向压降增大。晶闸管的通态压降与反向恢复特性是一对矛盾共同体。为进一步优化晶闸管的性能，针对不同的应用场合，要对通态压降与反向恢复电荷的关系进行折衷调整。
新一代±800 kV／8 GW特高压直流工程要求设备具备更高的高可靠性与高利用率，均实现了通态压降降低与通流性能提升，动态参数一致性更优，安全裕度进一步提升。
参考文献：
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[2] 张文亮，汤涌，曾南超．多端高压直流输电技术及应用前景[J]．电网技术，2019，34（9）：1-6．