1、IGCT的特点及其应用 学号 0000000000姓名 00000 1 导言 在目前的中电压大功率应用领域 占主导地位的功率半导体器件主要有晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 等 这些传统的功率器件在实用方面 都存在一些缺陷 GTO在一个硅片上集成了数千个分离开关单元 在中电压下 GTO呈现很小的通态损耗和合理的关断损耗 然而 由于开关的不均匀 GTO需外加缓冲电路来维持工作 这些缓冲电路占用了整个设备的大部分体积 是引起设计复杂 成本高 损耗大的主要原因 相反 IGBT开关均匀 不需要缓冲电路 但通态损耗较大 而且用于中电压电路时 必须将低压IGBT串联使用 这样
2、大大增加了系统的复杂性和损耗 同时还降低了系统的可靠性 在90年代中期 ABB科研人员通过优化门级极驱动单元和器件外壳设计 采用集成门极等技术 大大降低了GTO驱动电路的要求 实现了GTO到HD GTO的技术飞跃 但HD GTO的通态损耗比较大 研究人员就借鉴了IGBT在向中 高电压发展过程中所积累的各种降损耗技术 对HD GTO 进行了结构优化 并将它与其集成的硬驱动门控单元一起命名为IGCT 集成门极换流晶闸管 综上所述 IGCT同时具有GTO的导通特性和IGBT的开关特性 特点是大电流 高电压 开关频率高 高可靠性 结构紧凑和低损耗 性能明显优于目前广泛使用的GTO和IGBT器件 KIR
3、a1100 45IGCT 3000A 6000VIGCT 10KVIGCT 2 IGCT的基本结构及新技术 IGCT主要由主开关器件GTC及其相应的集成门极驱动单元所组成 GTC是由GTO演变而来 引入了缓冲层 阳极透明发射极和逆导结构 其核心器件GTC如图1所示的剖面结构 2 1缓冲层结构 传统的非穿通型概念是在厚的N基区上直接扩散形成阳极 非穿通PN结在阻断情况下电场分布呈三角形 如图2中的曲线1所示 由图2可以看出 器件总的阻断电压为电场在沿硅片厚度方向上的积分 因此 在材料所承受电场强度最大值不变的情况下 所需阻断电压越高 其硅片就越厚 这样会导致器件的导通损耗和开关损耗也相应增大 采
4、用基区穿通型设计后 在层之间引入缓冲层并降低区掺杂浓度 由于电场被缓冲层阻挡 形成一个四边形电场分布 图2中曲线2所示 这样采用较薄的硅片即可达到相同的阻断电压 从而提高了器件的效 降低了通态损耗和开关损耗 2 2透明发射极 GTC采用了缓冲层技术 而缓冲层的高电导率与传统GTO常用的阳极短路技术不相容 因此必须采用新的替代技术 为了实现低通态压降 要求处于导通状态的器件保持为晶闸管工作方式采用 IGCT采用了很薄的阳极发射区 关断期间阳极电压一旦建立 电子便能通过发射极排出 部分金属电极界面处复合 而不注入空穴 此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增益 从而大大提高了门极触发
5、灵敏度 缩短了关断时间 图3给出了导通态和阻断态的等效电路 2 3逆导结构 现有的IGCT主要用于电压源逆变器 因而在主开关GCT的单片上集成了一个反并联续流三极管 如图1所示 采用PNP结构将二极管和GCT的阻断结隔离 不管IGCT处于何种工作状态 此结构中总有一个PN结反偏 从而阻断了GCT门极与二极管阳极之间的电流通路 解决了两者之间的隔离问题 逆导型GCT的二极管部分经过质子辐照形成非均匀的复合中心分布 这样便能通过控制载流子的寿命分布而控制二极管的反向恢复特性 并能保证在反向电流逐渐减小到零的过程中 不会产生断流现象 2 4门极硬驱动的集成 由于关断过程中电流换向的时间很短 要求门极
6、电路有较低的电感 因此采用新型封装技术 将门极驱动和GCT集成到一块印刷线路板上 从而降低线路的电感 也因此被称为IGCT 采用透明发射极技术之后 IGCT门极单元体积大约是GTO门极单元的一半 同时其基区尾部电流持续时间减半 从而降低了对门极功率驱动的要求 电路损耗减小 3IGCT的工作原理 导通状态下的IGCT是一个象GTO一样的正反馈晶闸管开关 其特点是通过电流能力强和通态压降低 关断时的IGCT门极和阴极反向偏置 能快速有效地退出工作 器件呈晶体管工作方式 该器件在这两种状态下的等效电路由图3给出其中 分别为阳极 门极和阴极电流 由于IGCT关断发生在变成晶体管之后 所以无须外加dv
7、dt限制 并且可象MOSFET或者IGBT那样工作而无须吸收电路 4IGCT的性能特点 开关损耗低开关损耗低的一个优点就是可以任意选择开关频率 以满足最后应用的需要 以前功率设备在额定电流下只能工作在250Hz以内 而IGCT的工作频率可以达到这个速度的4倍 例如 在电机传动系统中 如选取更快的开关速度 将可以提高系统的效率 另一方面 如对IGCT选用较低的开关速度 逆变器系统的效率将有所提高 同时损耗更低 辅助电路简化GCT的独特特性在于其无需缓冲电路也可以工作 这对设计来说是非常有利的 无缓冲电路的逆变器损耗低 结构紧凑 所用的元件更少 可靠性更好 GCT结构中集成了续流二极管 使得以IG
8、CT为基础的设备得以简化 门极驱动功率低GTO采用传统的阳极短路结构来实现通态压降和低关断损耗 缺导致了门极触发电流的增加 IGCT采用的透明阳极发射技术使触发电流和后沿电流很小 总的通态门极电流仅为GTO的1 10 大大减小了门极触发几率 存储时间短 可靠性高GCT器件与大规模反并联二极管的集成不但可以减小存储时间 而且使关断时间的绝对值和离散性大为减小 使IGCT可以安全地应用于中高压串联 如果发生过电流失效 器件烧毁使其自身关断 而不会像IGBT那样会对邻近的元件造成危险 加强了整体电路的安全性 器件成本低利用IGCT技术可以使功率控制装置成本降低30 以上 GCT可采用现有GTO的生产工艺 GCT这样的成本与GTO晶闸管的相当 GCT的模拟设计较简便 成本更低 能加速系统的发展 同时 IGCT的高集成化使得功率元件可减少50 并且减少了走线和互连
