集成门极换向晶体管（IGCT）.docVIP

PAGE 1 集成门极换流晶闸管IGCT 周志敏 山东莱芜钢铁集团公司动力部 莱芜 271104 摘要：本文结合IGCT的结构特点，阐述了其优于IGBT、TGO器件的技术特性，并叙述了由该器件构成的中压变频器的技术特点。 关键词：IGCT 结构 特性 应用 1.概述 IGCT（Integraed Gate Conmmutated Thyristor）是90年代在晶闸管技术的基础上，结合了IGBT和GTO成熟技术开发的新型器件，比IGBT更适合于高电压、大容量使用，并在GTO的基础上，进行重新优化设计，与GTO相比具有开关状态的损耗低、门极控制简单，关断速度快（4000A/μs）、主回路接线简单等优点。目前使用的IGCT元件最大到4.4 KV、4.5KA，非常适合大容量变频器使用。IGCT包含了两个方面的技术创新；一是容许快速充放电的透明阳极设计（即采用了Buffer Layer transparent emitter技术）；二是减小硅片厚度进一步限制电荷储量。其结果是使触发电流减少一个数量级，电荷存储时间减少至1/15，后沿拖尾电流减少近29倍，导通压降进一步降低。这些都是高压大功率下的开关快速工作所必须的。为了克服GTO非齐次开关的缺点，TGCT在设计中让数千个单独的电力开关同步工作，以提高开关性能。通常，IGCT能在2—3μs内开断，阻断电压高达6KV。由于IGCT采用低电感的安装结构和门极驱动电路，所以它不需要Snubber电路，这是它又一个突出的优点，因此它在关断时由于分布电感引起的过电压值很小。 2.IGCT结构 集成门极换流的晶闸管（IGCT），也有人称发射极关断的晶闸管（ETO），实际上是关断增益为1的GTO（门极关断的晶闸管），又是把MOSFET管从器件（半导体）内部拿到外部来的MCT管。IGCT具有透明的发射极和较薄的n基区，并且将续流二极管集成在同一个结构中。IGCT是以GTO管为基础，在其门极端串联一组N沟MOSFET管（如25只6mΩ管），这组MOS管与GTO管同步驱动导通，整个系统的压降增加2000÷25×（6×10-3）=0.48V；在其门极端串联一组P沟MOSFET管（如7只20 mΩ管）充当齐纳管的功能。当GTO需要关断时，门极P沟MOS管先开通，主电流从阴极向门极换流；紧接着，阴极N-沟MOS管关断，全部主电流都通过门极流出；然后，门极P沟MOS管关断，IGCT全部关断。测量表明，IGCT管的主要技术指标如表一，IGCT管的开关能力比GTO管改善如表二。 表一 表二 参 数 GTO IGCT 存储时间 20μs 3.4μs 尾部时间 150μs 0.7μs 工作频率 500Hz 1000Hz 瞬时的开关频率 20KHz 开关关断时间 1μs di/dt 4KA/μs dv/dt 10~20kv/μs 交流阻断电压 6KV 直流阻断电压 3.9KV 3.技术特性 IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，是由一个改进型的GTO—GCT（阳极短路型、带环状门极的逆导GTO）和一个引线电感极低的门极驱动器组成。与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性。例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存储时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统、（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。IGCT可以以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地应用于0.3~10MVA变流器，而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA而用于电力设备。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据缺点，使高功率IGBT模块在高功率低频率变流器中的实际应用受到限制，因此可以认为，在大功率MCT问世以前，IGCT将成为高功率高电压低频率变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。 在上述这些特性中，优良的开通和关断能力是特别重要的方面，因为在一个系统中，GTO的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。众所周知，GTO的关断能力与其门极驱动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率（diGQ/dt）较高时， GTO晶闸管则具有较高的关断能力。一个4.5KV/4KA的IGCT与一个4.5KV/4KA的GTO的硅片尺寸类似，可是它能在高于6KA的情况下不用缓冲电路加以关断，它的diGQ/dt高达6000A/us.至于开通特性，门极开通电流上升率(diG/dt