IGCT及IGCT变频器9.docVIP

IGCT及IGCT变频器 1 引言 ????大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。 ????绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。 ????虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。 2 IGCT ????集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。IGCT外形图参见图1，图2 是其关断波形和损耗曲线。 1 结构与工作原理 ????门极换流晶闸管GCT的结构示意图如图3（a）所示。该图左侧是GCT，右侧是反并联二极管。IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，见图3 （b），GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO有重要差别的是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个pnp晶体管以后再关断，所以它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换（即GTO区），所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益pnp晶体管与门极电源的串联。  ???? GCT无中间区无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参与以后过程，改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在p基 n发射结外施加很高负电压，使阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（门极换向晶闸管即由此得名），不活跃的npn管一停止注入，pnp管即因无缌魅菀坠囟稀CT成为pnp管早于它承受全阻断电压的时间，而GTO却是在SCR转态下承受全阻断电压的，所以GCT可像IGBT无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。 2.2 关键技术 2.2.1 缓冲层 在传统GTO、二极管、IGBT等器件中，采用缓冲层形成穿通型（PT）结构，与非穿通型（NPT）结构比，在相同的阻断电压下可使器件的片厚降低约30%。同理，在GCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，使通态压降和开关损耗降低，从而得到较好的 VT-Eoff。同时采用缓冲层，使单片GCT 与二极管的组合成为可能。 2.2.2 透明阳极 为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的pn结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透阳极就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。传统的GTO则是采用阳极短路结构来达到相同的目的。采用透明阳极来代替阳极短路点，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。GCT的结构与IGBT相比，因不含MOS结构而得以简化。 2.2.3 逆导技术 GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管 FWD单片集成在同一芯片上。由于二极管和GCT享有同一个阻断结，GCT的p基区与二极管的阳极相连，这样在GCT门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导GCT与二极管隔离区中因为有pn