（微电子学与固体电子学专业论文）基于cpld的igct集成门极驱动电路的研究.pdf

摘要 论文题目：基于c p l d 的i g c t 集成门极驱动电路的研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：梁海燕签名：濯海彘 指导教师：高勇教授 张如亮讲师 摘要 签名： 签名： 集成门极换流晶闸管( i g c t ) 结合了g t o 和i g b t 的优缺点，在g t o 的基础上增加 了透明阳极、逆导技术以及缓冲层，无需吸收电路，开通损耗低，集成了门极驱动电路， 是大功率开关器件的换代产品。i g c t 驱动电路设计取决于i g c t 器件的要求，同时驱动 电路反过来影响器件的特性，通过对驱动电路的研究，可以更好的使用i g c t 。 本文研究了i g c t 的结构特点和工作机理，分析了集成门极驱动电路的设计要求，结 合设计原理及要求，提出了一种新型的门极驱动电路，采用p s i p c e 软件对设计的主驱动 电路进行了数值模拟分析；与此同时设计了逻辑控制电路，采用c p l d 对逻辑控制电路 进行了仿真验证。在模拟和仿真正确的基础上，设计了完整驱动电路的p c b ，并完成了电 路板制作与测试实验。 实验表明本文提出的新型门极驱动电路可以提供强的开通触发脉冲，维持电流，满足 i g c t 门极驱动的基本要求，为更进一步的研究提供了理论和实验的支持。 关键词：集成门极换流晶闸管；硬驱动；c p l d ；回路电感 本课题为国家自然基金( n o 5 0 8 7 7 0 6 6 ) 资助项目 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho ni n t e r g r a t e dg a t ed r i v ec i r c u i to fi n t e r g r a t e dg a t e c o m m u t a t e dt h y r i s t o rb a s e do nc p l d m a j o r ；m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：h a i y a nl i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y o n gg a o r u l i a n gz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：4 翌丝望妒k s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ( i g c t ) w a se v o l v e df r o mi g b ta n dg t oa n d i n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so fb o t h i ti n c r e a s e dt r a n s p a r e n ta n o d e ，b u f f e rl a y e ra n dr e v e r s e c o n d u c t i n gt e c h n o l o g y i th a sl o wt u r n o nl o s s ，n os n u b b e rc i r c u i t i tc a nr e p l a c eh i g hp o w e r s w i t c h i n gd e v i c e s t h ed e s i g no nd r i v ec i r c u i td e p e n d e do nt h er e q u i r e m e n to fi g c t ，o nt h e o t h e rh a n d ，t h ed r i v ec i r c u i tc a ne f f e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co fi g c t b ym e a n so fr e s e a r c ho n i g c t ，c a nu s ei g c tb e t t e r t h i sp a p e rr e s e a r c h e do ni g c ts t r u c t u r a lf e a t u r e sa n df u n c t i o n p r i n c i p l e ，a n a l y z e d r e q u i r e m e n t so fi n t e r g r a t e dg a t ed r i v ec i r c u i t ，a c c o r d i n gt ot h e d e s i g np r i n c i p l e s a n d r e q u i r e m e n t s ，p r o p o s e dt h ed e s i g nc i r c u i to ni g ct s i m u l a t e dt h ec i r c u i tu s e dp s p i c e ，a n d d e v i s e dl o g i cc o n t r o lc i r c u i tt h e n ，i na d d i t i o n ，d e s i g n e dd e t e c t i o nc i r c u i t ，v e r i f i e dl o g i cc o n t r o l c i r c u i tb yc p l d b a s e do nt h er i g h ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed r a w e di n t e g r a lp c b ，t e s t e dt h e c i r c u i tb ye x p e r i m e n t sf i n a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec i r c u i tc a np r o v i d eas t r o n gt r i g g e rp u l s e ，o n s t a t ec u r r e n t ，i t m e e tt h ef u n d a m e n t a lr e q u i r e m e n t so fi g c tg a t ed r i v e ，i tp r o v i d e dt h e o r ya n de x p e r i m e n t s u p p o r tf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：i g c t ；h a r dd r i v e ；c p l d ；i n d u c t a n c e p r o j e c t i o ns u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 8 7 7 0 6 ) 目录 目录 l 绪论1 1 1 国内外发展现状1 1 2 本文主要研究内容和意义2 2i g c t 的结构及工作机理5 2 1i g c t 的结构5 2 2i g c t 的工作机理7 2 1 1i g c t 的开通机理7 2 1 2i g c t 的关断机理8 3i g c t 门极主驱动电路的设计1 1 3 1i g c t 的特性参数及驱动电路的设计要求1 l 3 1 1i g c t 的特性参数1 1 3 1 2i g c t 驱动电路的设计要求1 2 3 2i g c t 开通电路的设计1 2 3 2 1i g c t 门极驱动电路的原理框图1 2 3 2 2i g c t 开通电路的原理分析1 4 3 2 3 g c t 开通电路的参数设计1 5 3 2 4i g c t 开通电路的模拟分析17 3 3i g c t 维持电路的设计1 7 3 3 1i g c t 维持电路的原理分析1 7 3 3 2i g c t 维持电路的参数设计1 8 3 3 3 g c t 维持电路的模拟分析2 2 3 4i g c t 关断电路的设计2 2 3 4 1i g c t 关断电路的原理分析2 2 3 4 2i g c t 关断电路的参数设计2 3 3 4 3i g c q 、关断电路的模拟分析2 4 3 5i g c t 的主驱动电路及模拟结果2 4 3 6 本章小结2 6 4 逻辑控制电路及辅助电路的设计2 7 4 1 逻辑控制器件的选取2 7 4 2 逻辑控制电路的设计2 9 4 2 1 设计原理2 9 4 2 2 仿真波形及结果分析3 2 4 3 辅助电路的设计3 6 4 3 1 电源的原理及设计3 6 西安理工大学硕士学位论文 4 3 2 检测电路、显示电路及光纤设计4 1 4 4 本章小结4 4 5 实验结果分析4 5 5 1p c b 版图的设计及改进4 5 5 2c p l d 实验结果及分析4 7 5 3 测试结果及分析5 1 5 4 本章小结5 3 6 结论5 5 致谢5 6 参考文献5 7 1 绪论 1 绪论 当代的功率器件可以概括的分为三大类：第一类是传统的晶闸管，第二类是功率 m o s f e t 及其相关的器件，第三类是由上述两种器件发展起来的特大功率器件，下面逐 一类进行介绍 1 1 0 晶闸管：6 0 年代到7 0 年代是晶闸管统治功率器件的时代，到了8 0 年代，晶闸管的 发展已经相当成熟，到了9 0 年代，中小功率用的逆变器件逐渐被m o s f e t 和i g b t 替代。 但是在特大的领域，双极型器件还是占主导地位。 功率m o s f e t 及其相关的器件：8 0 年代是m o s 器件和晶闸管并驾齐驱的时代，到 了9 0 年代，m o s 器件在逆变领域迅速占领了中小功率器件的市场。 特大功率器件：主要包括晶闸管，它的容量仍在扩大，电压高达七八千伏。 g t o ， 其商品容量已达6 0 0 0 v 3 0 0 0 a 。 i g b t ，i g b t 的发展分为两个方向，一个是朝高速方向 发展，其速度可以和m o s f e t 相比拟，高达1 5 0 k h z ，另一个是朝高压方向发展，替代g t o 进入大功率领域，电压高达4 5 0 0 v ，电流高达1 8 0 0 a 。 i g c t , g t o 关断需要笨重且昂贵 的吸收电路，门极驱动复杂，所需的控制功率大，设计复杂，损耗大，成本高，受器件损 耗和吸收电路损耗的限制，g t o 的最大开关频率为3 0 0 - 5 0 0 h z ，受到大功率和低频特性 的限制，主要在1 0 - - - - 2 0 m v a 的领域内使用；i g b t 无需吸收电路，开关均匀，但通态损 耗大，可靠性不均匀，关断不能突然发生，限制了开关频率的发展，i g b t 用于某些中大 电压领域时，必须串联使用，增加了损耗和复杂性。 鉴于以上的缺点，i g c t 迎刃而生，它是将g t o 与i g b t 优点结合起来的一种新型器 件，开关频率达1 5 1 0 0 k h z ，具有开关频率高、无需关断吸收电路、损耗小等很多特点， 固有的串并联特性能够将它的功率扩展到数百m v a ，可能更大。i g c t 以其优越的特性， 可以慢慢地代替g t o 在很多方面的应用，是极具应用前景的一种大功率器件。i g c t 应 用于高压逆变器，风力发电变流器，静止同步补偿器等，采用“硬驱动”技术，对驱动电 路要求比较高。 1 1 国内外发展现状 国外，i g c t 器件生产使用的公司主要有a b b 、三菱“1 ，分为3 种类型的i g c t ：非对 称型、逆导型和逆阻型，成熟的电压系列有4 5 0 0 v 、5 5 0 0 v - - - 6 0 0 0 v ，9 0 0 0 v 系列正在研究 中，关于门极驱动技术的介绍比较少，对具有低损耗，关断特性好等特点的g c t 的研究中 提出：门极驱动电路决定功率器件的特性“1 ，并介绍了一种新的拓扑，降低了门极损耗。 在将一系列的逆导型的g c t 应用于驱动中压器件的研究中指出了i g c t 是对g t o 硬驱动技 术的突破发展“1 ，系统的散热设计影, 向i g c t 的开关频率，可扩大到k h z ，分析了逆导型 i g c t 的特点，机理，还有硬驱动技术。对一种新型g c t 集成门极驱动电路的研究中， 提出了i g c t 集成门极驱动电路一种新的拓扑结构，并验证了电路的可行性1 。一篇研究 关于i g c t i 极单元的电源的文章中详细介绍了i g c t i q 极驱动的电源的设计1 。目前商用 的i g c t 己高达6 0 0 0 v 4 0 0 0 a ，a b b 公司正在开发1 0 k v 的i g c t ，与相同电压等级的i g b t 西安理工大学硕士学位论文 变频器相比，i g c t 只需要更少的元件，冷却方式更为灵活，损耗更低，可靠性更高。 在国内，主要是湖南株洲南车集团，除此之外，还有国电南自，许继等使用i g c t ， 有一些产品问世。湖南株洲南车集团率先在国内研制出具有国际先进水平的4 5 0 0 v 系列 i g c t 器件，填补了我国在大功率半导体开关器件领域的一项技术空白，拥有自主知识产 权，申请了近3 0 项专利，并且已经生产出配套二极管，2 0 0 4 年，株洲南车时代电器公司 与北京交通大学新能源研究所合作研究i g c t 集成门极驱动电路，北京交通大学新能源研 究不孚众望，成功研制出了4 0 0 0 a 4 5 0 0 v 不对称型、110 0 a 4 5 0 0 v 逆导型i g c t 集成门极 驱动电路，经过了实验验证表明了设计的正确性，推动了国产化的发展。在对g c t 的基 本原理研究的基础上，有人介绍了一种新型g c t 集成门极驱动电路，结合驱动电路的要 求和特点1 ，提出了一种新型的驱动电路的拓扑结构和控制方法，并且对11 0 0 a 4 5 0 0 v 逆导型g c t 集成门极驱动电路的进行测试，测试表明，设计方法正确，方案可行。 辽宁大学，尹常永研究关于集成门极换流晶闸管驱动的硕士论文中，首次设计出驱动 电路的原理图，并用p s p i c e 进行了软件仿真，得到的波形与要求波形基本吻合，并利 用c p l d 设计了逻辑控制电路。西安交通大学，朱长纯等关于集成门极换流晶闸管驱动 电路研究中，依照i g c t 集成门极驱动电路的基本要求1 ，研究了一种i g c t 集成门极驱 动电路，通过仿真表明，门极开通电流可在2 9 s 内迅速达到2 0 0 a 左右，可在4 p s 内抽取 4 0 0 a 左右门极电流，满足i g c t 开通和关断时的要求。郑小刚，谢军在对i g c t 集成门 极驱动电路的原理分析中也提出了门极驱动电路阳1 ，李军在介绍i g c t 器件的应用中分析 了i g c t 器件性能参数、门极驱动电路的基本工作机理，比较了i g b t 和g t o 的特点。 采用理论分析、软件仿真和实验相合的方式，深入研究了i g c t 的应用电路n 。黄杏、 张小青等在g c t 驱动单元控制电路的设计中，从g c t 的基本工作机理出发，提出了一种 新型的i g c t 的门极驱动电路及控制电路 1 1 1 并对1 1 0 0 a 4 5 0 0 v 逆导型i g c t 进行了试 验，结果验证了设计的正确性。 对i g c t 的应用也有一些研究成果，由于i g c t 的优越性，适用于高压大功率电力电 子设备，应用也推进了研究，研究i g c t 的等效模型也就比较多，像功能模型法，电学模 型法，集总电荷模型法和物理模型法等，并且分析了各个模型的优缺点及适用范围“。 i g c t 用于逆变器中，研究表明换流回路的杂散电感对i g c t 输出端产生过电压，严重的 就会使i g c t 击穿，有人研究出一种关断吸收电路，可以有效地降低i g c t 的端部电压， 减小这种影响。 但是总体上来说，对于i g c t 的使用较多，研究还是比较少，本文提出了一种新型的 i g c t 集成门极驱动电路，有着重要的参考意义，对驱动电路的进一步研究有着重要的作 用。 1 2 本文主要研究内容和意义 本文在对i g c t 的结构特点和工作机理深入研究的基础上，提出了一种新型的门极驱 动电路，即一种新的驱动方法，区别于以往的驱动电路，能够达到预期的i g c t 开通、 2 1 绪论 维持脉冲。本文主要是针对4 5 0 0 v 11 0 0 a 非对称型的i g c t ，i g c t 采用硬驱动技术，对 驱动电路要求比较高。“硬驱动”技术能够使得被驱动器件的存储时间降l g s 左右，使晶 闸管的关断能力远远超过其额定值，并且不受晶闸管的型号和等级的约束，所以研究一种 新型的硬驱动电路具有非常重要的意义。 本文的主要内容如下： 第一章，绪论，总结了i g c t 集成门极驱动电路的国内外发展现状，分析了i g c t 集成 门极驱动电路研究的现实意义，并将本文的主要研究内容进行了概述。 第二章，主要介绍i g c t 的结构及工作机理，i g c t 的工作机理包括i g c t 丌通工作 机理及i g c t 关断的工作机理； 第三章，主要介绍i g c t 门极主驱动电路的设计，首先介绍了i g c t 集成门极驱动电 路的特性参数和设计要求，才能有针对性的设计电路，接着分别介绍了开通维持关断电路 的设计原理、参数设计及模拟结果并对结果进行分析，最后给出了i g c t 门极主驱动电路 图及其模拟结果； 第四章，主要介绍逻辑电路及辅助电路的设计，逻辑电路的设计主要包括设计原理、 仿真波形，辅助电路的设计主要包括电源电路的设计，以及检测电路、显示电路及光纤设 计； 第五章，主要对实验结果进行分析，首先介绍了p c b 版图的设计及改进，接着介绍 c p l d 实验结果及分析，最后给出了测试结果并且进行了分析； 第六章，本文的结论，由实验结果可知该设计能够达到预期的目标。 西安理工大学硕士学位论文 4 2i g c t 的结构及工作机理 21 6 c t 的结构及工作机理 i g c t 的结构及工作机理主要对比了i g c t 和g t o 的结构特点，得出g c t 相比于 g t o 的优点，介绍了i g c t 开通及关断的工作机理，为后面的设计奠定了坚实的基础。 2 1l6 c t 的结构 i g c t 分为非对称型、逆阻型、逆导型三种，非对称型i g c t 是由单个的g c t 构成， 是单纯的p n p n 结构，能承受很高的正向电压，反向可以承受的电压只有2 0 v ，反向电流 不能通过，逆阻型的i g c t 是专门为电流型逆变器进行优化设计的，是具有反向阻断能力 的器件，将p n p n 晶闸管与一个二极管的串联，反向电压由二极管承受，电流只能从阳极 向阴极流动，逆导型的i g c t 是由反并联续流二极管和g c t 集成的。电流能够两个方向 流通，不可以反向承受耐压。 为了提高功率密度，大功率变流器一般采用非对称型的i g c t 。g c t 的内部结构和 g t o 的很类似，同样是四层三端的p n p n 半导体结构，内部包含很多的g c t 单元或者 g t o 单元，阳极共用而门极和阴极在器件的内部并联，便于实现门极关断。两者的区别 在于： g c t 的阳极内侧掺杂了较重的缓冲层n ，构成了n + p n - n p + 结构。如下图2 1 所示， 左图为g t o 的剖面图，右图为g c t 的剖面图。 6kg 1 1 p n p + n + | p +n + ip + i 一n + l j l 1 一 p n n 缓冲层 p + 图2 - 1g t o 和g c t 的剖面图 a ) g t o 的剖面图b ) g c t 的剖面图 f i g2 - 1g t oa n dg c tp r o f i l em a p a ) t h ep r o f i l em a po fg t ob ) t h ep r o f i l em a po fg c t g c t 用穿透阳极替代g t o 的短路阳极，有效地消除了缓冲层的负面效应，并且 g c t 的厚度也比g t o 的薄。 i g c t 的结构特点主要包括透明阳极、缓冲层、逆导技术，门极驱动技术，下面逐一 详细讨论。 1 透明阳极 透明阳极也被称之为透明发射极，是一个很薄的弱掺杂区n ，电子穿透阳极很容易， 仿佛是阳极被短路一样，也可以说阳极相对于电子是透明的。透明阳极电荷能够直接 西安理工大学硕士学位论文 穿过阳极区被抽取，要比短路阳极的电荷抽取快，而且透明阳极的发射效率与电流大小相 关，在电流较大的情况下，发射效率较低，电流较小的情况下，发射效率较高，门极触发 电流和后沿脉冲电流较小。由于g c t 采用很薄的阳极，关断时只要阳极电压建立起来， 电子就可以通过透明阳极流出而不注入空穴，无需采用短路阳极就可以限制p n p 管的发 射效率和增益，能够大幅度提高门极触发灵敏度。 2 缓冲层 缓冲层是指在高阻的p + 发射极和n 。基区中引入中等掺杂的n 型缓冲层，构成与穿通 型结构类似的耐压结构，而g t o 结构中无缓冲层，采用了短路阳极，g c t 结构中采用了 缓冲层和透明阳极，在相同的阻断电压下，g t o 的n 基区的厚度明显比g c t 的n 一基区要 厚。较薄的硅片就能够达到较高的阻断电压，降低了开关以及通态损耗，增大了器件的效 率。 3 逆导技术 非对称型的g c t 的不承受反向耐压，为了达到应用要求，通常将其与续流二极管反 并联集成在一个硅片上，形成逆导型的g c t 结构，采用逆导技术，可以实现高耐压，提 高开关速度，减小了接线电感等。 但是逆导结构要解决两个关键的问题，一个是g c t 与二极管的隔离，由于非对称型 的g c t 的p 基区和n 基区与反并联的二极管共用一个阻断结，于是在非对称型门极与二 极管阳极之间形成了电阻性通道，为了达到电隔离的目的，在逆导型g c t 中进行选择性 的p 型杂质深扩散，不管门阴极电压的正负，在p n p 结构中，总有一个p n 结反偏，阻断 了电流的流通；另一个是对反并联的二极管的特性有要求，要求续流二极管与非对称型的 g c t 的厚度进行匹配，为了确保导通状态下有较低的通态压降，在阻断状态下承受同样 的耐压，能够快速的反向恢复，反并联的二极管也必须在无吸收电路和大电流上升率下关 断，因此，为了确保尾部电流降到零的过程中反向不会断流，对二极管的反向恢复电流及 其软度需要控制，改变二极管的少子寿命。 4 门极驱动技术 以往g t o 门极驱动电路比较庞大，i g c t 是将g c t 与门极驱动电路通过p c b 直接 相连，形成了门极“硬驱动”，在器件关断的极短的时间内，门极上需要施加幅值很高， 电流上升率很大的驱动信号，很大程度上缩短器件的存储时间，器件无需吸收电路能够快 速地关断。 以g t o 为例，“软驱动”开通时门极电流上升率为5 0 0 a g s 1 5 1 而“硬驱动”开通时 电流上升率高达3 0 0 0 a g s ，开通损耗和延迟时间显著减小，关断的d v d t 和最大可关断电 流显著增加，存储时问减小。将g c t 与门极驱动电路集成在一起，大大减小了门极驱动 回路的电感，实现了“硬驱动”。“硬驱动”有两个优点，一是增强了g c t 的开通的电流 上升率，缩短延迟时间和降低损耗，存储时间缩短，最大可关断电流提高。二是降低门极 回路电感，降低了门极驱动电路的成本和失效率。 6 2i g c t 的结构及工作机理 i g c t 的优点可以概括为以下几点1 1 ： 1 关断瞬态用于抑制过电压的吸收电容可是简化甚至可以取消； 2 降低了失效率和成本，成本低，成品率高； 3 通态时像非对称晶闸管，关断过程和断态下类似p n p 晶体管，开通过程则与p n p 晶体管相似； 4 开通损耗可以忽略，关断损耗低，在高阻断电压的情况下，通态压降低； 5 能够像晶体管一样无吸收工作，但是不能像晶体管那样用基极控制控制开通与关断 的速度； 6 响应时间短，它的延迟为2 ，- - - 3 m s ，存储时间减为1 u s ，为串联应用打下了基础。 2 2lg c t 的工作机理 因为i g c t 是在g t o 的基础上发展起来的，所以它的工作机理与g t o 的比较类似。 i g c t 的阻断和导通与g t o 的完全相同，i g c t 开关机理与g t o 的则不尽相同。g t o 一 般上采用上升率较小的负电流脉冲的“软驱动”，而1 g c t 开通与关断必须通过“硬驱动” 来进行实现。 2 1 1ig e t 的开通机理 i g c t 工作在导通状态时，实质上像一个晶闸管一样的正反馈开关 1 6 l , 具有携带电流 能力强，导通压降低等特点，当阳极之问、门阴极之间分别加上正偏压( u a k 0 、u g k u g t ) 时，很大的门极电流能够让j 3 结均匀的注入，促使阳极均匀注入，当阴极n p n 管的电流 的放大系数以及阳极p n p 管电流放大系数加起来大于l 的时候，器件就可以达到均匀导通， 下图2 2i g c t 的结构及导通示意图。下图2 3 为i g c t 的开通波形图。 图2 2i g c t 的结构及导通示意图 f i g u r e2 - 2t h es t r u c t u r ea n dg a t e o ns k e t c hm a po fi g c t g t o 开通时，由于门极施加的正脉冲和电流上升率小，这个过程被分为两个阶段： 纵向开通和横向扩展。首先是g t 0 门极边缘区域先导通，此时阴极中心还存在一个未导 通的区域，而j 2 结中心区域还是处于反偏的状态，门极电流进一步地增大，紧靠着门极 两边的导通区慢慢向阴极单元中心区域扩展，一直到器件全部导通。 i g c t 的开通时间主要由延迟时间t d o n 和上升时间t ，决定。延迟时间是指阳极电流上 7 西安理工大学硕士学位论文 图2 3i g c t 的开通波形图 f i g u r e2 - 3t h er u m o nw a v e f o r mo fi g c t 升到它的稳定值的1 0 经历的时间，上升时间是指阳极电流从稳态值的1 0 上升至9 0 所经过的时间。 采用硬驱动，更强的门极驱动脉冲可以加快开通过程，开通过程的延迟可以由原来的 几“s 降至几百n s 。强门极脉冲能够使阴极的电子均匀注入，在阳极电流增大之前将器件 的通态压降减小，降低器件的开通损耗。 导通后的i g c t 与g t o 一样，成为一种晶闸管的导通状态，有很低的导通压降。为 了在阳极电流小于维持电流的情况下，确保i g c t 还是能够维持导通，驱动电路向门极提 供合适的通态门极维持电流，始终保证门极正向偏置。 2 1 2ig c t 的关断机理 当u a k o ，u 6 k 0 时，相当大的负门极电流从p 基区抽取空穴，使得p 基区电位降低， n 2 区不再向p 基区注入电子，j 3 结完全反偏，于是i g c t 的关断就变成了阳极p n p 晶体 管的关断。p 基区的空穴从门极流出，n 基区的电子能够直接穿越n 缓冲层以及透明阳极 流出，i g c t 阳极电流下降相当快，i g c t 完全关断，使得负门极电流电流在1 u s 内上升 到阳极电流的幅值，基本上所有的阳极电流都从门极流出，阳极电流转变为门极电流。 i g c t 关断示意图如下图2 4 所示。 图2 4i g c t 关断示意图 f i g u r e2 - 4t h er u m - o f fs k e t c hm a po fi g c t a g 儿划嗣扩 2i g c t 的结构及工作机理 当门极电压开始降低的时候，i g c t 处于晶体管状态，从晶闸管状态转换到晶体管状态的 过程实际上就是电流从阴极转换到门极的过程，这个时间很短，小于1 u s 。 下图2 5 为i g c t 的关断过程的波形图，在关断过程中，i g c t 的阳极和阴极之间的 电压保持通态时的压降不变，转换结束后，i g c t 就进入了阻断状态，阳极和阴极电压逐 渐上升，在阳极电压升高以前，阳极电流已经为0 ，过一段时间后，i g c t 完全处于阻断 状态，i g c t 还具有应付高频、高幅值脉冲开关的能力，具有极为均匀的开关特性，连续 两个关断操作之问，不需要间隔很长时间。 v d m 图2 51 g c t 关断波形图 f i g u r e2 - 5t h et u r n o f fw a v e f o r mo fi g c t 但是g t o 关断时，由于门极施加的负脉冲幅值和上升率较小，这个过程被分成两个 阶段：横向压缩和纵向关断。紧靠门极的区域先关断，随后导通区横向压缩，直到阴极中 心细条区域p n p n 关断。 g t o 的关断本质上是局部的p n p n 晶闸管关断，拖尾电流较大，少子通过复合消失， i g c t 有与p n p 晶体管类似的无吸收关断能力。 i g c t 的关段时间主要由存储时间和下降时间决定。存储时间是指加上负门极信号， 阳极电流减小到阳极关断电流的9 0 所经过的时间，驱动电流越大，存储时间越小。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 0 3i g c t 门极主驱动电路的设计 3ig c t 门极主驱动电路的设计 i g c t 的开关动作是经过门极电流实现的，i g c t 的集成门极驱动电路采用“硬驱动” 技术，设计比较复杂，要求也比较高，i g b t 的驱动一般采用驱动模块，设计相对简单一 些，i g c t 集成门极驱动电路的好坏直接影响到i g c t 的性能。 下面主要介绍i g c t 主驱动电路板的设计方法，首先提出了设计要求，后面电路的设 计就是基于这些设计要求，在满足这些要求的基础上尽量优化参数，使设计的电路能够提 供更好的电流脉冲，使i g c t 门极驱动电路能够满足“硬驱动”的要求，快速的开通和关 断i g c t 。 3 1lg c t 的特性参数及驱动电路的设计要求 主要介绍i g c t 的一些基本的特性参数，包括阻断参数，开通参数，通态参数，关断 参数等，并且提出了驱动电路设计要求，为后面的设计提供了一定的设计依据。 3 1 1ig c t 的特性参数 下面主要介绍i g c t 集成门极驱动电路的一些参数。 1 阻断参数： ( 1 ) 断态重复峰值电压v d r m ：是指i g c t 在阻断状态下可以承受的最大重复电压，对 于非对称型的11 0 0 a 4 5 0 0 v 的i g c t ，v d r m = 4 5 0 0 v 。 ( 2 ) 直流中间环节电压v d c - l i 。k ：是指在海y - 面等露天环境宇宙射线环境下，1 f i t 等于 1 0 9 小时出现1 次失效，1 0 0 f i t 失效率时，i g c t 所能承受的直流电压。对于1 1 0 0 a 4 5 0 0 v 非对称的i g c t ，v d c i i 。k = 2 8 0 0 v 。 ( 3 ) 断态重复峰值电流i d r m ：是指i g c t 在重复峰值阻断电压下流过的正向漏电流。 2 丌通参数： ( 1 ) 最大通态电流上升率d i d t 。r i t ：是指在规定的情况下，达到的最大通态电流上升率。 ( 2 ) 上升时间t ，：是指阳极电压从稳态值的9 0 减到1 0 经历的时问。在v d = 2 7 0 0 v ， t j _ “5 ，i t = 1 1 0 0 a 条件下，t ，1 “s 。 ( 3 ) 开通延迟t d o n ：是指从收到开通命令开始，阳极电压从稳态值减到9 0 消耗的时间。 在v d = 2 7 0 0 v ，t j = 1 1 5 ， i t = 1 1 0 0 a 条件下，t d 。 3 9 s 。 ( 4 ) 最小导通时间t d o n ( m i n l - 是指i g c t 器件维持导通状态所需要的最小时问，维持导通 状态的时间需要比这个时间大，对于11 0 0 a 4 5 0 0 v 非对称型的i g c t 来说，t d o n ( m i n ；_ _ _ 2 0 1 a s 。 3 通态参数： ( 1 ) 最大通态平均电流i t ( a v l m ：是指正弦半波电流，在壳温等于8 5 。c 的条件下，i g c t 可以流过的最大平均电流。 ( 2 ) 最大不重复峰值电流i t s m ：这个值与浪涌持续的时间有关，等到浪涌过后，i g c t 要恢复一定的时间，才可以承受电压，对于1 1 0 0 a 4 5 0 0 v 非对称型的i g c t 来说，t p = 1 0 m s 时，i t s m = 3 2 k a ，t p = 1 0 0 m s 时，i t s m = 1 2 k a ，这个值是在起始壳温1 2 5 测量得到的，浪 涌过后的结温为3 5 0 。 西安理工大学硕士学位论文( 3 ) 最大通态电流有效值i t ( r m s ) ：正弦半波电流，在壳温为8 5 的环境下，i g c t 能够通过的最大电流有效值。( 4 ) 通态压降v t ：是指在规定的通态电流的情况下，得到的i g c t 的通态管压降。在i t = 1 1 0 0 a ，t j = 1 1 5 。c 条件下，v t 3 v 。当阳极电流i t 小于1 1 0 0 a ，温度越低，通态压降越高，阳极电流i t 大于1 1 0 0 a ，温度越低，通态压降越低。4 关断参数：( 1 ) 最大可控关断电流i t g q m ：i g c t 能够关断的最大电流。对于1 1 0 0 a 4 5 0 0 v 非对称型的i g c t 来说，在v d 2 5 v 时，各电容值趋于稳定，为减小极问 电容，源漏电压应大于1 0 v ，所以应选择源漏电压大一些的m o s 管。i r f 3 2 0 5 s 在2 5 下， 上升时间为1 0 i n s ，开通延迟为1 4 n s ，下降时间为6 5 n s ，关断延迟为5 0 n s ，以上是在 v d d = 2 8 v ，i d = 6 2 a ，v g s = 1 0 v ，i 沁= 4 5 f f 2 的条件下测得的，漏极电感l d - - 4 5 n i l ，源极电 感l s = 7 5 n i l 。漏极电流为1 1 0 a ，漏极脉冲电流为3 9 0 a ，栅源电压的最大值为2 0 v ，这 里所加栅源电压为1 5 v ，漏源击穿电压最小为5 5 v ，通态电阻为8 m q 。 通过3 个m o s 管并联来减小通态电阻，增大能流过的最大电流。m o s 管并联时，应 该加入独立的栅极电阻以消除寄生振荡。一般取1 0 4 7 f f 2 。m o s 管需要驱动芯片来驱动， 15 西安理工大学硕士学位论文 这里选取t c 4 4 6 8 ( 可以同时驱动4 个m o s 管) ，以及t c 4 4 2 2 7 ( 可以同时驱动2 个m o s 管) ， t c 4 4 2 2 7 的上升时间的最大值为3 0 n s ，下降时间的最大值为3 0 n s ，延迟时间为5 0 n s ，并 且随着电源电压的增大，延迟时间降低，电源电压的最大值为1 8 v ，需要留有一定的余量， 这里选择提供的工作电压为1 5 v ，所以延迟时间是比较小的，能够很快的使m o s 管响应。 t c 4 4 6 8 的上升时间的最大值为2 5 n s ，下降时间的最大值为2 5 n s ，延迟时间为7 5 n s 。电源 电压也选择1 5 v 。 t c 4 4 2 2 7 和t c 4 4 6 8 可是实现驱动信号的放大，从c p l d 输出的信号经过驱动芯片输 出为1 5 v ，并且由仿真可知，栅极输入信号的幅值越高，提供给i g c t 的脉冲电流的幅值 越大，越能更快的开通关断i g c t 。t c 4 4 6 8 的电路图如下图3 4 所示，t c 4 4 2 7 的电路图 如图3 5 所示。 1 6 图3 4t c 4 4 6 8 的电路图 f i g u r e3 - 4t h ec i r c u i ts c h e m a t i co ft c 4 4 6 8 图3 5t c 4 4 2 7 的电路图 f i g u r e3 - 5t h ec i r c u i ts c h e m a t i co ft c 4 4 2 7 上面两幅图是依据t c 4 4 6 8 以及t c 4 4 2 7 的d a t a s h e e t 中推荐的电路画出的。电容的值 3i g c t 门极主驱动电路的设计 都是按照推荐值进行选取的。 3 2 4i g c t 开通电路的模拟分析 下图3 - 6 为开通电路的模拟波形图，电流的幅值和上升率都比较高，才能达到快速开 通的目的。 卜 黼| | | | “一 。 一 一j l ； ， ： 图3 - 6 开通电路的模拟波形图 f i g u r e3 - 6t h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo fi g c tt u r n 一0 1 1c i r c u i t 由模拟结果可以看出，第一个电流峰值为3 3 0 a ，第一个电流峰值为1 9 0 a ，从图中可 以出开通波形的第一个尖峰的电流上升率为3 3 4 5 a l t s ，第二个尖峰脉冲为4 2 0 a l a s ，远远满 足i g c t 的开通电流脉冲的要求。 3 3i g c t 维持电路的设计 i g c t 导通后，只需要较小的维持电流就可以维持i g c t 的通态。 3 3 1l g c t 维持电路的原理分析 维持电路的原理图如下图3 7 所示，l 3 通过m 3 、d 3 、i g c t 的门阴极和m 4 充电， l 3 通过m 3 、d 3 、i g c t 的门阴极放电。 图3 7 维持电路的原理图 f i g u r e3 - 7t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fi g c to n s t a t ec i r c u i t 西安理工大学硕士学位论文维持电流需要在1 0 a 左右。电阻r 1 为采样电阻，通过高端电流检测芯片i n a l 6 8 检测门极电流并反馈给c p l d ，c p l d 控制m 4 的通断，调节维持电流的大小。高端电流检测芯片输出的结果送入比较器进行比较，如果输出为低电平，则闭合m 4 ，将脉宽调整为一定的值，如果输出为高电平，则表明电流大于某一值，断开m 4 ，将脉宽调整为一定的值，实现有效的维持。i n a l 6 8 的电路图如下图3 8 所示，i n a l 6 8 的输出电压与采样电阻两端的电流关系式为：v o = 1 s r s r ( 3 4 )、i 。为流过采样电阻的电流大小，r 为采样电阻的大小，r 7 4 为输出的负载电阻，其中t o1 6 8 + ，t o1 6 8 。，连接在采样电阻的两端。v c cm a l 6 s图3 8i n a l 6 8 的电路图f i g u r e3 - 8t h ec i r c u i ts c h e m a t i co fi n a l6 8采样电阻的选择要注意以下几项1 1 9 1 ：1 电压损耗：采样电阻阻值过大会导致电源电压以i r 的数值减小，为了降低电压损耗，则应选择阻值较小的采样电阻。2 精度：较大的采样电阻可以获取更高的小电流的测量精度，由于采样电阻上的电压越大，对运放的输入偏置电流的和失调电压的影响就会越