(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211145485.4 (22)申请日 2022.09.20 (71)申请人 国网安徽省电力有限公司电力科 学 研究院 地址 230000 安徽省合肥市经济开发区紫 云路299号 申请人 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 (72)发明人 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　 (74)专利代理 机构 合肥市浩智运专利代理事务 所(普通合伙) 34124 专利代理师 丁瑞瑞 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 基于TCAD的UHVDC晶闸管热敏 感参数提取方 法 (57)摘要 本发明公开了基于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。 权利要求书3页 说明书10页 附图8页 CN 115495904 A 2022.12.20 CN 115495904 A 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S entaurus  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S DE工具中对晶闸管进行几何结构建模； 步骤102： 在S DE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S DE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S device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 ‑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S device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 ‑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。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115495904 A 26.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 ‑1kV； 观察仿真结果中的阳极电流 ‑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‑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Sdevice代码区中添加system部分， 并在system部分使用节点表构建由外接1Ω电阻 负载的主回路与外接0.1Ω限流电阻的门极脉冲回路组成的脉冲测试电路， 使用Sdevice的 Transient动态仿 真求解方法仿真模 型的开通， 首先设置阳极电压源的分段线性模 型， 所述 分选线性模型只需要声明波形中的拐点， 其余部分Sdevice系统将自动根据点之间连成的 线段取值， 阳极电压源的分段线性模 型的拐点为0、 1kV以及 ‑1kV， 阳极电压源在一定时间内 从0上升至1kV， 持续 一定时间， 再在一定时间内下降至 ‑1kV， 所述 一定时间为预设的时间； 然后设置门极电压源的分段线性模型， 门极电压源在阳极电压源持续1kV的时间段内 具有一个瞬时脉冲波形， 该 脉冲同样持续 一段时间， 并在阳极电压开始跌落前归零； 观察仿真结果中的阳极电流 ‑时间曲线及门极电流 ‑时间曲线， 若阳极电流在门极电流 脉冲施加后迅速上升至1kA， 并在门极瞬时脉冲归零后保持在1kA， 则认为模型的动态通 断 特性正确， 完成UHVDC晶闸管建模， 若以上特性存在问题， 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。 8.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， 所述步骤二包括： 设定晶闸管工作温度为0 ‑90℃， 温度变量序列为[0,10,20,3 0,40,50,60,70,80,90]； 设定晶闸管额定电压为8500V， 则阳极电压变量序列为[500,1000,2000,3000,4000, 5000,6000,7000,8000,8500]； 设定晶闸管门极触发范围为2 ‑10A， 则门极脉冲电流峰值变量序列为[2,4,10]； 设定晶闸管额定通态电流 为5500A， 主回路电阻值序列为[0.8,1,1.2,1.5]； 在Sentaurus  TCAD中使用Sdevice工具从温度、 阳极电压、 门极脉冲电流峰值、 主回路 电阻对应的变量序列中随机取值， 对 模型进行多工况组合仿真。 9.根据权利要求8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， 所述步骤三包括： 在Svisual工具的TCL代码中使用create_curve指令， 以时间为x轴， 分别以阳极电流、 阳极电压、 门极电流为Y轴绘制曲线， 读取门极电流 ‑时间曲线中的门极电流最大值， 并存储 为变量Igm， 作为当前的门极脉冲电流峰值工况参数； 读取阳 极电流‑时间曲线中阳 极电流最 大值， 存储至变量Id中， 作为当前的通态电流工况参数； 将0.1Id和0.9Id分别存储为变量I1， I2， 读取阳极电流 ‑时间曲线中I1和I2对应的横坐标时间， 分别存储为变量t1， t2， 将 存储为变量didt， 作为当前工况 下的开通电流上升率；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115495904 A 3