1、北京交通大学硕士学位论文IGCT应用技术的研究姓名：俞斌申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：游小杰20080601中文摘要中文摘要集成门极换流晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件，它是将GCT芯片与其门极驱动器以低电感方式集成在一起，综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且成本低、成品率高，因此有着广泛的应用前景。因此，有必要对IGCT器件进行深入的应用研究，并设计一套能够对IGCT器件进行高压大电流测试实验的设备。本文从IGCT器件出发，介绍了IGCT器件的结构，工作原理，关键技术，IGCT与GT
2、O、IGBT的比较，IGCT的特性参数及门极驱动电路原理。文章从IGCT器件扩展到整个IGCT模块，对IGCT功率相单元模块进行了计算和仿真分析。从整体上阐述了IGCT相单元模块的电路原理。用仿真和计算分析了相单元模块中钳位保护电路对器件开通和关断过程的影响。分析了相单元电路中杂散电感对器件关断过电压的影响，提出了减小杂散电感的方法。阐述了反并联二极管对IGCT器件的影响，提出二极管的反向恢复特性对IGCT的关断过电压有较大影响。在分析IGCT功率相单元模块的基础上，我们设计了一套IGCT功率相单元测试实验平台。该平台由电源控制柜和器件测试柜组成，在设计中重点考虑了测试试验的安全性和测试功能的
3、多样性。对该测试实验平台的电路进行了仿真，表明了测试电路的合理性。根据仿真和计算进行了相关器件选型和测试平台的制作。最后在测试实验平台上进行了一些初步的IGCT相单元脉冲测试，挑选了一些测试结果，对被测波形进行分析，测试结果表明该测试实验平台的设计是有效和合理的，它能完成对IGCT功率相单元的测试，来辅助IGCT器件进一步研究，为使用IGCT器件取代现有中压变频中H桥单元的IGBT器件打下基础。关键词：IGcT；功率相单元；测试实验台；脉冲测试中图分类号：TN34ABSTRACTAB STRACTThe Integrated Gate Commutated Thyristor IGCT is
4、a new power electronic deviceIt is integrated with the GCT chip and the gate driver by low inductanceIt hasadvantages both in stable turn-off capability of transistor and low turn011 loss of SCRIt has characteristics of high current，high voltage,high switching frequency,highreliability,compact confo
5、rmation and low lossIt costs low，and is hi曲面eld，SO it has awild application in futureTherefore,it is necessary tO do some research for IGCTs，andto design a device to do experiments for IGCTs in high-voltage and high-currentIn this paper,it analyses a single IGCT deviceIt presents the IGCTs struc-：tB
6、re,working principles，key technologies，the comparison of IGCT,GTO and IGBT,IGCTsCharacteristic parameters and gate driver circuit prindplesThen from a single IGCT device to the entire IGCT unit module，the paper presentsthe functions of the IGCT units damp protection principle,the stray inductancesin
7、fluence for deviceS turn-off over-voltage,and the antiparallel diodeS influence toturnoff over-voltage of the IGCT power unitBased in detail analysises of the IGCr unit,we designed the IGCT power unit testbenchThe test bench is made of the power control counter and device test counterIndesigning pro
8、cess，we mainly considered about test security and the diversity of testingcapabilities111e paper presents the simulations，circuit principle,functions，of the testbench，Finally we made experiments 011 test bench and presents numbers of experimentresultsThe waveforms of results are presented tO confirm
9、 the rationality and thefeasibility of the test benchThereforeit lays a foundation for fi】rthef study of IGClSKEYWORDS：IGCT；power unit；test bench；switching testCIASSNO学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘
10、。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日北京交通大学硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日72致谢本论文的工作是在我的导师游小杰教授和童亦斌老师的悉心指导下完成的，两位老师严谨的治学态度和科学的
11、工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来两位老师对我的关心和指导。游小杰教授和童亦斌老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向两位老师表示衷心的谢意。林飞老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，张禄、马亮、张友良等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。绪论1绪论11电力电子器件发展电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技
12、术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车。现代电力电子技术无论对改造传统-t-业(电力机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等)都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为21世纪重要关键技术之一fl】。电力电子器件是现代电力电子设备的核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或者不同频率的电能进行交流直流(整流器)，直流一直流(斩波器)，直流一交流(逆变器)和交流一交流(变频器)变换。这种开关模式的电力电子变换在与国民经济发展密切相关的关键科学技术中有着重要的应用。首先，
13、在节能和环保方面，电力电子变换在能源能量转换和能量输配过程中具有很高的效率，如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约13的能源，而未来电力能源中的80要经过电力电子设备的转换。其次，在信息和通信技术中，通过开关模式的电力电子变化可以为计算机与通信设备提供稳定的可靠的电源。此外，在交通运输中，电动汽车和电力机车的都和电力电子变换密切相关。“一代器件决定一代电力电子技术。现代电力电子技术基本上是随着电力电子器件的发展而发展起来的。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着
14、电力电子技术的诞生。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20-30，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用【21。因此对电力电子器件进行深入的研究和应用是非常重要的。现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。另外，电力电子模块化是电力电子向高功率密度发展的重要的一步。本文中提到的IGCT就是北京交通大学硕士学位论文一种用于中大型电力电子设备中的新型大功率电
15、力电子器件。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃31。12 IGCT简介集成门极换流晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件。它是将GCT芯片与门极驱动器在外围以低电感方式集成在一起，综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且成本低、成品率高，具有很好的应用前景。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，并且具有最低的功率损耗。IGCT在使用时只需将
16、它连接到一个20V的电源和一根光纤就可以控制它的开通和关断。由于IGCT结构设计上采用了新技术，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。尽管IGCT变频器不需要限制dvdt的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制didt(这是IGCT的主要缺点)，所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。在国外，瑞士的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量产品【4】【5】。日本三菱公司在1998年也开发了直径为88mm的6kV4kA的IGCT晶闸管。在国内，目前株洲电力机车研究所正在开发用于电力机车牵引的IGCT变流系统【6
17、1，有望在不久的将来成为交流传动的主角。还有清华大学在内的少数几家科研机构也在自己开发的电力电子装置中应用了IGCTt7】。13课题背景由于IGCT的在大功率变流器中有越来越广泛的应用，因此有必要对IGCT器件进行深入的应用研究，深入了解国外相关IGCT器件的结构、工作原理、特性参数、门极驱动原理，IGCT模块原理，在此基础上自主研发IGCT器件和门极驱动电路。在IGCT器件研发的基础上，我们非常需要一套能够对IGCT器件进行高电压、大电流测试试验的设备。要求它能够在实验室条件下完成从低电压、小电流的到高电压，大电流测试试验，以及连续斩波实验，尤其是在高压大电流环境下完成功率极大的连续斩波实验
18、，并且能充分保障人身安全和实验安全，从而得到IGCT2绪论器件的很多重要数据和工作波形。同时，这个测试实验平台也用来配合实验室研发的IGCT的门极驱动电路进行测试，它们的主要技术指标对应了ABB公司所生产的5SHY35IA510和5SHXl4H4502两种类型产品，装配IGL-T半导体管后就可以进行测试试验。而这个实验测试实验平台有助于器件的研制和工艺改进，以及相关产品今后的应用和市场推广，使国内加快对IGCT的研制，可以让IGCT早日投入大规模应用。本课题属于北京交通大学与辽宁荣信电力电子公司签订的横向项目IoCT器件功率单元的研制，该项目主要是为试验使用IGCT器件取代现有中压变频中H桥单
19、元的IGBT器件，为将来中压变频器实现更大容量和实现四象限交流器奠定基础。3北京交通大学硕七学位论文2 IGCT工作原理和特性参数IGCT是GCT(门极换流晶闸管)和集成门极驱动电路的合称，本章从IGCT器件出发，全面介绍了IGCT器件的结构，工作原理，所采用的关键技术，并将其与常见的GTO和IGBT两种电力电子器件的特点做了对比，推导出结论，说明IGCT具有GTO高阻断能力和低通态压降，以及和IGBT相同的开关性能，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。然后以ABB公司不对称型IGCT“5SHY35L4510为例介绍了IGCT器件的特性参数，为后文的脉冲测试实验提供理论依据。最后对IGCT器件
20、的门极极驱动原理进行了分析。21 IGCT的结构和工作原理211 IGCT结构IGCT是GCT和集成门极驱动电路的合称，两者之间通过极低的阻抗连接而成。IGCT内部由几千个小GCT元件组成，它们之间公用一个阳极，而阴极和门极则分别并联在一起，其目的就是利用门极实现器件的关断。GCT是在GTO的结构上引入缓冲层，透明阳极和集成快速续流二极管结构形成的。因此GCT与GTO类似是PNPN四层，以及阳极，阴极和门极的三端器件。图21是IGCT内部结构截面图。图21器件截面图GCT晶闸管(左)，二极管(中)，反并联二极管的GCT(右)Figure 21 The IGCTssectionsGCT(1eft
21、)，Dodes(middle)，GCT with anti-parallel diode(right)而按照GCT器件内部结构来分，IGCT可以分为3类。4IGCT工作原理和特性参数不对称型：半导体芯片在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。在电压源变流器运行时，需要从外部并联续流二极管。反向阻断型：GCT在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管的串联，电流只能一个方向(从阳极到阴极)流通，串联的二极管为这类器件提供了承受反向电压的能力，用于电流源型变流器。反向导通型：半导体芯片在结构上是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管的反向并联，电流可以两个方向上
22、流动不会承受反向电压，用于电压源型变流器。由于GCT与续流二极管集成在同一个芯片上，不需要从外部并联续流二极管，在结构上更加简洁，体积更小。212 IGCT的工作原理当IGCT工作在导通状态时，是一个像晶闸管一样的正反馈开关，其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断状态下，IGCT门一阴极间的pn结提前进入反向偏置，并有效地退出工作，整个器件呈晶体管方式工作，该器件在这两种状态下的等效电路如图22所示。IG产lA+IG kx=o导通状态时的GCT 关断状态F的GCT图22 IGCT的导通态和阻断态的工作原理Figure 22 Conducting and Blocking condition
23、s for IGCTIGCT关断时，通过打开一个与阴极串联的开关(通常是MOSFET)，使P基极11发射极反偏，从而迅速阻止阴极注入，将整体的阳极电流强制转化成门极电流(通常在llas内)，这样便把GTO转化成为一个无接触基区的PNP晶体管，消除了阴极发射极子收缩效应。这样，它的最大关断电流比传统GTO的额定电流高5北京交通大学硕+学位论文出许多。由于IGCT在增益接近1时关断，因此，保护性的吸收电路可以省去。此外，IGCT可以像SCR一样用Q1和Q2组成的双晶体管等效电路模型进行分析。如图23所示，当IGCT导通时，内部的PNP晶体管Ql和NPN晶体管Q2处于相互正反馈的导通状态，情形与SC
24、R通态完全相同。在关断过程中，IGCT集成门极驱动电路的工作原理可以用一个电压源VGK(大小为20V)和一个高速电子开关Sort来解释。为了关断IGCT，SOFF闭合，VGK反向施加在Q2的发射结端，于是Q2迅速转入截止状态，迫使IGCT的阴极电流消失。Q2的截止势必引起Q1基极电流的减小，破坏Q1和Q2在通态下建立的正反馈平衡，并最终导致Q1关断。在Q2截止到Q1关断这段时间内，只要门极回路的电感足够小，IGCT的阴极电流就可以很快(1bts内)从IGCT的阴极“换流“至门极驱动电路。IGCT的阳极电流于是通过Ql的发射极和集电极、IGCT的门极以及IGCT门极驱动电路内的Son：和VGK继
25、续流通，如图23(右)中iA所示。由Q2此时已经截止，Q1将在基极开路的情况下对iA进行关断。在完成关断后，SoFF将保持闭合状态，以保证IGCT门极的负偏置和可靠截止。由于IGCT内部晶体管是在基极开路的状态下以晶体管模式对阳极电流进行关断，可以避免出现所谓的“GTO状态，关断过程中允许更高的阳极电压上升率，而且关断动作非常可靠。因此IGCT兼有晶闸管的低通态压降和高阻断电压，以及晶体管稳定的关断特性，是一种比较理想的大功率半导体开关器件。2IGcT双晶体管等效 IGCTf极换流电路模型图23 IGCT双晶体管模型(左)和门极换流(右)示意图Figure 23 Two-transistor
26、mode(1e动and gate commutation(right)principles of lGCT由于门极驱动电路必须在关断过程中迅速转移所有的阳极电流。因此，IGCT设计必须采用电感相当低的门极驱动电路。实际中可根据器件要求采用多层布线印刷线路板。6IGCT工作原理和特性参数综上可知IGCT具有以下特点：IGCT环流关断时间时间可降至1Ms以内，这为实现简单耐用的高压串联打下基础；由于IGCT能非常均匀的工作，因此可显著减少或忽略吸收电路及逆变器的损耗；由于门极关断电荷较低，可显著降低门极驱动功率【171。213 IGCT的关键技术根据前述IGCT的基本工作原理可知，Ia0T的器件结
27、构设计在某些方蕊与GTO完全相同，所不同的是采取了以下几项关键技术。(一)缓冲层技术传统的非穿通型(NeT)概念就是在厚的N基区上直接扩散形成阳极，如果正向电压加在NPT单元上，电场将延伸到N基区，在PN结阻断情况下电场有一个三角分布区，该器件总的阻断电压()为X轴距离(硅片N基区厚度)的积分。因此所需阻断电压越高，其硅片的厚度就越厚，而且导通和并联损耗也就越大。如果在结处的电场尖峰达到了雪崩击穿限制，击穿就会发生。但若在N一和P+层中引入N缓冲层，并改变适当的掺杂，阳极被低掺杂的N扩散缓冲层保护，形成一个四边形电场分布，成为穿通(PT)型器件，PT型器件基区电场的梯度比NPT电场要小的多(低
28、的N基区掺杂)，电场被N缓冲层阻挡，因而在相同的阻断电压下，NT型器件比NPT型器件要薄得多，从而提高器件的效率，降低通态损耗和关断损耗，如图24所示。例如，在45kV的IGCT中，采用缓冲层，所需芯片的厚度大约减少40。田!二二互二二盈mX(厚度)图24 NPT与PT型器件电场分布对比Figure 2A PT-NFF of electric devices distribution7北京交通大学硕士学位论文(二)透明阳极技术GCT采用了缓冲层技术，而缓冲层的高电导率与传统GTO的阳极短路技术不相容，因此必须采用新的替代技术。为实现低通态压降，低关断损耗，要求处于导通态的器件保持为晶闸管结构，
29、这就需要采用正反馈晶体管对。这样在关断期间，一旦建立阳极电压，电子便能透过发射极而排出，而无需重新注入空穴，这表明电子在关断状态下能穿过阳极而不发射，电子穿透阳极就像阳极被短路那样，阳极相对于电子而言是透明的。实际上，传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同的效果，但这大大增加了门极触发电流。并不是像传统的阳极短路那样，一个透明阳极就是一个发射效率依赖于电流密度的很薄的PN结，其损耗和开通域值电压都很低。另一方面，透明发射极被巧妙地设计成在大电流密度下(晶闸管门闩)时低的注入效率，这样在关断期间，电子可以从透明阳极中有效地抽取，并透过透明阳极达到金属接触界面处复合。(三)逆导技术由于现有规格GC
30、T主要用于电压源逆变器，因而多采用非对称技术，并与反并联快速二极管一起使用。在采用缓冲层和发射极透明技术以前，GCT采用的硅片衬底材料的厚度几乎是相应的反并联续流二极管的两倍。现有的GCT充分利用了上述技术的优点，并使优化的续流二极管和GCT整体集成在同一芯片上。IGCT不带吸收电路，这意味着集成续流二极管必须在不带吸收电路和高频换流(dvdt)的情况下关断。为此，逆导GCT的二极管部分经过质子辐照能形成非均匀的复合中心分布，这样便能控制载流子的寿命分布进而控N-极管的反向恢复特性，并能保证在尾部电流减小到零的过程中，反向电流不会断流。在传统的逆导型GTO中，GTO和二极管共用一个P基区，这样
31、GTO的门极电流便会通过P基区流人二极管。由于二极管阳极和GTO阴极电势相等，因此这对门极电流是一种短路。逆导型GCT用n区将二者隔离，从而消除了以上影响，如图21所示。(四)集成门极驱动技术由于其“硬驱动门极控制允许关断增益为1和初始导通增益也接近于1，因此GCT可以实现双极晶体管的动态特性，这要求大规格门极单元与GCT集成，因而被称为“IGCT。反并联二极管的集成可提高门极电流上升率，显著降低存储时间，实现门极的硬驱动【18】。214 IGCT和GTO，IGBT的比较IGCT、GTO和IGBT各有自己的特剧9】【lo】【141，应用得当，都能在相应的领域8Ia玎工作原理和特性参数发挥最佳的
32、效果。现将IGCT、GTO和IGBT做一个比较。比较的器件为：IGCT4500V3000A，GTO-4500V3000A，IGBT-33001W1200A。表21 IGCT和GTO，IGBT的比较比较项 IGcT GTo IGBT可靠性 最高 很高 高硅片面积 O65 065 l通态损耗 50 70 100开通损耗 5 30 loo关断损耗 100 100 100门极驱动功率 50 100 l开关频率 很高 高 最高变流器效率 最高 很高 高可控功率 大 大 较小价格每MW可控功率 低 低 高功率密度(MWm3) 大 大 较小dvdt吸收电路 可以不用 必须用 可以不用didt限制电路 有 有
33、 无短路电流限制方式 外部限制(电抗器) 外部限制(电抗器) 自身限制实现串并联的难易 串并联都容易 串并联都容易 并联容易损坏后的特性 短路 短路 开路芯片封装 压接 压接 焊接合适的应用领域 大功率 大功率 中等功率由上表可以看出IGCT即有GTO高阻断能力和低通态压降，又具备了和IGBT类似的开关性能，因此是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。22 IGCT的特性参数以下以ABB公司生产的不对称型IGCT“5SHY35L4510“为例，介绍IGCT器件的特性参数【4】。221阻断参数9北京交通大学硕士学位论文正向断态重复峰值电压yDRM：IGCT在阻断状态能承受的最大正向重复电压(门极加2
34、V以上反向电压)。对5SHY35IA510型IGCT，yDRM=4500V。如果超过这个电压值，漏电流和功率损耗将会迅速增加，并可能导致热损坏和阻断力下降。这个值代表IGCT能承受的准静态最大电压值。而IGCT能承受的最大电压为断态不重复峰值电压(7DM)。但要注意的是，在门极加正向电压时，IGCT只能承受额定电压。反向断态重复峰值电压yRRM：IGCT在阻断状态能承受的最大反向重复电压。对所有的不对称型IGCT，这个值在17V的范围内。而参数手册又将这个值分为断态值(艘M=lTV)和通态值(Ve-ew=lOV)。如果此时IGCT反并联二极管，这个值将会由反并联二极管的正向恢复电压和杂散电感决
35、定。如果反向电压超过IGCT的PD肼，IGCT将会进入反向雪崩，但如果这个电压的作用时间不超过lOps，且电流不超过最大可控关断电流，IGCT便不会被损坏。断态重复峰值电流|fDRM：IGCT在重复峰值电压下的最大正向漏电流(门极加2V以上反向电压)。对5SHY35IA510型IGCT，DRM s 50mA。直流环节中间电压7 DClink：海平面露天环境宇宙射线情况下，100FIT失效率时，IGCT能够长久承受的直流电压(IFIT=100小时出现一次)。对5SHY35L4510型IGCT，7 ncli,a=2800V。超过此值并不会马上导致器件的损坏，但是宇宙射线造成器件损坏的机会将增大。2
36、52机械参数安装压力Fm-压装IGCT需要的压力。一般给出最小压力和最大压力，标称安装压力应取中间值。安装压力对于器件的散热和良好的电气连接很重要。压力太小，将会导致热阻增加，在大电流时导致器件退化。压力太大，将增加器件的机械压力，导致器件的散热加剧，过早老化，还可能造成门极和阴极间短路。除了安装压力大小的正确，安装压力的均匀也很重要，局部压力过大将会使机架变形，并导致器件的性能降级。253通态参数最大通态平均电流，刑y：正弦半波电流，壳温85摄氏度，IGCT所能允许的最大平均电流。最大通态电流有效值，胱：正弦半波电流，壳温85摄氏度，IGCT所允许的最大电流有效值。这两个值并没有什么实际意义
37、，只是在选择或者比较器件时使10IGCT工作原理和特性参数用。最大不重复浪涌电流峰值：此值的大小与浪涌电流的持续时间有关。对于5SHY35L4510型IGCT，持续时间tp=10ms时，J删=32KA；tv=lOOms时，=12kA。此值是起始结温在125摄氏度情况下测取的，浪涌电流通过后结温为350摄氏度。在浪涌电流后不能马上承受电压，要经过一断时间的恢复后，才能承受电压。IGCT承受这种浪涌电流的次数是有限的。通态电压巧：规定通态电流和最大结温下，测得的IGCT通态管压降。通态电压值越小，意味着关断损耗越大，反之成立。门槛电压：对于门槛电压的确定方法如图25。斜率电阻：图25中的直线的斜率
38、的倒数，对于5SHY35IA510型IGCT，rr=1(4000I3)=o325rnfl。通态电压和通态损耗的计算如下：巧(jr)=V(ro)+厶rr (21)圪一黼2 KroIr(_v)+_露t嬲) (22)d盯d灯这是通态IGCT的电流上升率的最大值。 fJ LIT纱 VTVTo=14 27图25 IGCT门槛电压和斜率电阻的确定Figure 25 The determination for IGUr threshold voltage and the slope of the resistance254开通参数和关断参数最大通态电流上升率或r站：在规定的条件下允许的最大通态电流上升率。对
39、5SHY35IA510型IGCT：dir站：1000Aus，测试条件f=-0500Hz，Tj：125。c，If=4000A，Vo=2800V。最大可控关断电流L剃：对5SHY35IA510型IGCT为厶叫nOoA。255 IGCT的安全工作区北京交通大学硕七学位论文IGCT在工作时的电压、电流要在一定的范围内才是安全的，即IGCT有一定的安全工作区。图26所示的5SHY35L4510型IGCT的安全工作区是根据IGCT的直流工作电压和最大关断电流画出来的，并且电压的安全界限没有直接画出。实际考虑的关断过电压峰值不能超过肼，didt不能超过最大限制值。图26 ICJCT的安全工作区Figure
40、26 IGCTS safety work areaIGCT如果工作在RC吸收电路的情况下，安全工作区有所扩大。如图27所示。|啪(蜥6S2lO6-F屯存嗳牧电路#F船缸暖收电赠卜 、夏嚷收电、25 30 3S 40 5 SOV知、，)网I一图27加RC吸收的IGCT的安全工作区Figure 27 IGCTS safety work area wim RC absorption23 IGCT驱动电路禾n f-极硬驱动原理231 IGCT门极驱动电路12IGCT工作原理和特性参数新型门极驱动单元采用2040VACVDC电源，在电源投入时有9A电流限制(约150ms时间)，而旧型号门极驱动采用204
41、0VDC，无电源投入电流限制。门极驱动电路原理如图所示【261。r一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一-20V_40V ACI r1 r l20V-40VDC llI：哑计；H_l刁q一一lj堂呈 商p囊n_恤斗I|；燮查垦堡笪兰 南曩=恩嘣阳极阳极监控门极阴极l L一 IL一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一Jr u图28门极驱动单兀功能示葸图Figure 2,8 The configuration of gate-drive unit for I(观首先，在门极供电部分，需要注意以
42、下几点(一)绝缘：IGCT的门及驱动信号是光信号，具有良好的绝缘性。但门极驱动单元的电源需要隔离(如隔离变压器)，绝缘根据它的实际应用电压的不同和传输的功率等级的不同而改变。并且由于成本变动大，隔离变压器难以标准化，这也是门极驱动单元本身不带隔离变压器的原因。(二)输入电压、电流：门极单元有内置整流二极管，因此可输入直流和交流电压。隔离变压器输出可直接连接至门极单元电能输入端。当输入是交流电源时，由于杂散电感的作用，输入电压会有一定降落。因此，输入电压要比门极额定最小电压(嬲)高。输入电压可由下式计算： 匕：。嬲+掣(23)，GN。RM$其中，Vo为电源电压Vary嬲为最小供电电压，Pohv为
43、门极能耗，厶为杂散电感，厂为交流电频率。注：此计算时只对没死区的交流电有效。交流方波通常有峰峰值电流限制，这个限制值应比以下计算值大： Iaar暑2JG=21(24)，GN鼢罄其中，v6t一，风为最小供电电压，P6-w为门极能耗，k为供电电流峰值，13北京交通大学硕士学位论文为平均整流供电电流。在门极供电时，电流应不小于，G，MIN，也不超过最大门极电流限制。(三)门极能耗：门极能耗很大程度取决于负载。它和关断电流，嘲、开关频率f、结温T，和GCT制造技术有关。门极能耗很小一部分消耗在门极，但和负载消耗比较甚少。ITaa【A】图29最大门极输入功率示意图Figure 29 The maximu
44、m input power of the gate其次在控制信号部分，我们需要考虑以下两点：(一)IGCT门极单元上电：在门极上电前，加控制信号将很可能导致器件的损坏。门极上电至少需要5秒，在上电完成前的阳极加电可能造成器件的损坏。同样，在给控制光脉冲的同时上电或者断电也将会造成器件门极的损坏。(二)短脉冲滤波器：在光纤输入端的所有脉冲都将经过滤波，任何脉宽小于400ns的脉冲都将被滤除。滤波功能在通态和断态都执行。232门极硬驱动工作原理14IGCT工作原理和特性参数门极硬驱动开通时，先闭合V1、V2、V3，在Ll、L2中建立起脉冲电流，当电流达到一定值后，先断开V3，电杆中的电流换至门端子
45、，原理图和脉冲电流波形如下图210和图211所示。G弋 720V一 一Vl -_ D2 么 I Ll D1彳r、r、一=CL2V3 D3 V2 ；图210开通驱动电路Figure 21 0 the opening circuit for gate-drive由于门极电感很低，门极电流上升很快，这样就保证了IGCT可靠而均匀导通。而阳极电流的didt也可以相应提高，从而减d,dildt限制电抗器的尺寸和费用。图211开通脉冲电流Figure 21 1 the opening current如图212所示，通过电流反馈控制V4斩波，将门极电流值控制在一定的水平上，V4的开关频率可达60kHz70k
46、Hz。通态门极电流参考值由环境温度控制，环境温度低，参考电流大，反之减小。15北京交通犬学硕士学位论文图212通态门极驱动原理Figure 212 the tUIll-OII circuit for gate-drive门极硬驱动关断时原理如图213所示，将V6开通，电容C将对门极反向放电，将IGCT关断。20V 丰 。士C V6UV图213 IGCT硬驱动原理Figure 21 3 The hard drive circuit of lGCT如图214所示，IGCT关断后，V6继续处于闭合状态，门极和阴极之间也有20V反向电压，使IGCT处于可靠状态。此外，在电源逆变器中，当与IGCT反并联
47、的二极管处于导通状态，而IGCT门极处于反向偏置时，IGCT处于一种不利状态。这种不利有三：(1)门极所需的功率和损耗增加。(2)门及电流通过阳极流通而不通过阴极流通。(3)在开关(将IGCT和反并联的二极管看作开关)电流过零时，GCT还没有做好导通的准备，在再次闭锁前就会出现阳极电压，从而出现所谓的“功率脉冲“。由于此时GCT中的电流分布不均，如不采取措施，不断重复的“功率脉冲“对GCT是很有害的。避免此问题的方法是：通态时重新触发门极，这种触发信号在门极驱动电路中可以自动产生，也可以采用外部触发。内部自动触发：检测门极一阴极电压VGK的极性，当VGK变成正的时，给门极加开通脉冲，如图215
48、所示。内部触发的didt50Aps的，用外部触发命令。16IGCT工作原理和特性参数L 一VoK。 厂。_j F10。附黻黼。t 7图214通态时的重新触发Figure 214 The retrigger ofturn-on state071212 sJ L Light p Llt 7IG。 爬黼t7图215宽度在07炉一12ps关断脉冲信号重新产生触发Fig 215 The retrigger of07 Fts-I2ps shutdown pulse北京交通大学硕十学位论文3 IGCT相单元模块分析在IGCT变流器系统中，一般都是以多个IGCT功率相单元构成变流电路【271，相单元电路工作性能的优劣将直接决定IGCT变流器的性能。在IGCT测试实验平台中，也以IGCT功率相单元作为主要测试对象。因此，对IGCT功率相单元电路进行理论分析，探讨相单元参数对IGCT器件通断的影响，有非常重要的意义28】【291。31 IGCT功率相单元电路原理IGCT功率相单元模块由两个串联IGCT器件及其反并联二极管和钳位保护电路构成，如图31所示，虚线框内为一个功率相单元模块【33】。其中，由电感Li，二极管DCL，电阻Rs和电容ccL组成钳位保护电路。该电路的主要作用抑制开关器件通断时候的过电压和过电流，吸收和消耗通断时候的能量。其中钳位电感Li
