（电工理论与新技术专业论文）igct应用技术的研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t t h ei 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 ri g c ti san e w p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e i ti si n t e g r a t e dw i t ht h eg c tc h i pa n dt h eg a t ed r i v e rb yl o wi n d u c t a n c e i th a s a d v a n t a g e sb o t hi ns t a b l et u r n - o f fc a p a b i l i t yo f t r a n s i s t o ra n dl o wt u r n 0 1 1l o s so fs c r i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hc u r r e n t ，h i g hv o l t a g e , h i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c y , h i g h r e l i a b i l i t y , c o m p a c tc o n f o r m a t i o na n dl o wl o s s i tc o s t sl o w ，a n di sh i 曲面e l d ，s oi th a s a w i l da p p l i c a t i o ni nf u t u r e t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c hf o ri g c t s ，a n d t od e s i g nad e v i c et od oe x p e r i m e n t sf o ri g c t si nh i g h - v o l t a g ea n dh i g h - c u r r e n t i nt h i sp a p e r , i ta n a l y s e sas i n g l ei g c td e v i c e i tp r e s e n t st h ei g c t ss t r u c - ：t b r e , w o r k i n gp r i n c i p l e s ，k e yt e c h n o l o g i e s ，t h ec o m p a r i s o no fi g c t , g t oa n di g b t , i g c t s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dg a t ed r i v e rc i r c u i tp r i n d p l e s t h e nf r o mas i n g l ei g c td e v i c et ot h ee n t i r ei g c tu n i tm o d u l e ，t h ep a p e rp r e s e n t s t h ef u n c t i o n so ft h ei g c tu n i t sd a m pp r o t e c t i o np r i n c i p l e , t h es t r a yi n d u c t a n c e s i n f l u e n c ef o rd e v i c e st u r n - o f fo v e r - v o l t a g e , a n dt h ea n t i p a r a l l e ld i o d e si n f l u e n c et o t u r n o f fo v e r - v o l t a g eo ft h ei g c tp o w e ru n i t b a s e di nd e t a i la n a l y s i s e so ft h ei g c ru n i t , w ed e s i g n e dt h ei g c tp o w e ru n i tt e s t b e n c h t h et e s tb e n c hi sm a d eo ft h ep o w e rc o n t r o lc o u n t e ra n dd e v i c et e s tc o u n t e r i n d e s i g n i n gp r o c e s s ，w em a i n l yc o n s i d e r e da b o u tt e s ts e c u r i t ya n dt h ed i v e r s i t yo ft e s t i n g c a p a b i l i t i e s 1 1 1 ep a p e rp r e s e n t st h es i m u l a t i o n s ，c i r c u i tp r i n c i p l e , f u n c t i o n s ，o ft h et e s t b e n c h ， f i n a l l yw em a d ee x p e r i m e n t s0 1 1t e s tb e n c ha n dp r e s e n t sn u m b e r so fe x p e r i m e n t r e s u l t s t h ew a v e f o r m so fr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oc o n f i r mt h er a t i o n a l i t ya n dt h e f e a s i b i l i t yo ft h et e s tb e n c h t h e r e f o r e i tl a y saf o u n d a t i o nf o rf i 】r t h e fs t u d yo fi g c l s k e y w o r d s ：i g c t ；p o w e ru n i t ；t e s tb e n c h ；s w i t c h i n gt e s t c i a s s n o 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。 ( 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 7 2 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 1 1 电力电子器件发展 电力电子技术包括功率半导体器件与i c 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2 1 世纪重要关键技术之一f l 】。 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，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1 3 的能 源，而未来电力能源中的8 0 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1 9 5 8 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，这标志着电力电子技术的诞生。8 0 年代 末期和9 0 年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 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2 0 - - - 3 0 ，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【2 1 。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i g c t 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3 1 。 1 2i g c t 简介 集成门极换流晶闸管i g c t 是一种新型电力电子器件。它是将g c t 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。 i g c t 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。 i g c t 不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像i g b t 一样关断，并且具 有最低的功率损耗。i g c t 在使用时只需将它连接到一个2 0 v 的电源和一根光纤就 可以控制它的开通和关断。由于i g c t 结构设计上采用了新技术，使得i g c t 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i g c t 变频器不需要限制d v d t 的缓冲电路， 但是i g c t 本身不能控制d i d t ( 这是i g c t 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a b b 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1 9 9 8 年也开发了直径为8 8 m m 的6 k v 4 k a 的i g c t 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i g c t 变流系统【6 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i g c t t 7 】。 1 3 课题背景 由于i g c t 的在大功率变流器中有越来越广泛的应用，因此有必要对i g c t 器 件进行深入的应用研究，深入了解国外相关i g c t 器件的结构、工作原理、特性参 数、门极驱动原理，i g c t 模块原理，在此基础上自主研发i g c t 器件和门极驱动 电路。 在i g c t 器件研发的基础上，我们非常需要一套能够对i g c t 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，并且能充分保障人身安全和实验安全，从而得到i g c t 2 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i g c t 的门极驱动电路进行 测试，它们的主要技术指标对应了a b b 公司所生产的5 s h y 3 5 i a 5 1 0 和 5 s h x l 4 h 4 5 0 2 两种类型产品，装配i g l - 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i g c t 的研制，可以让i g c t 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i o c t 器 件功率单元的研制，该项目主要是为试验使用i g c t 器件取代现有中压变频中h 桥单元的i g b t 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 2i g c t 工作原理和特性参数 i g c t 是g c t ( 门极换流晶闸管) 和集成门极驱动电路的合称，本章从i g c t 器件出发，全面介绍了i g c t 器件的结构，工作原理，所采用的关键技术，并将其 与常见的g t o 和i g b t 两种电力电子器件的特点做了对比，推导出结论，说明i g c t 具有g t o 高阻断能力和低通态压降，以及和i g b t 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a b b 公司不对称型i g c t “5 s h y 3 5 l 4 5 1 0 为例介绍了i g c t 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 i g c t 器件的门极极驱动原理进行了分析。 2 1i g c t 的结构和工作原理 2 1 1i g c t 结构 i g c t 是g c t 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。i g c t 内部由几千个小g c t 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。g c t 是在g t o 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g c t 与g t o 类似是p n p n 四层，以及阳极，阴极和门极的三端器件。图2 1 是i g c t 内部结构 截面图。 图2 1 器件截面图g c t 晶闸管( 左) ，二极管( 中) ，反并联二极管的g c t ( 右) f i g u r e2 1t h ei g c t s s e c t i o n s g c t ( 1 e f t ) ，d o d e s ( m i d d l e ) ，g c tw i t ha n t i - p a r a l l e ld i o d e ( r i g h t ) 而按照g c t 器件内部结构来分，i g c t 可以分为3 类。 4 i g c t 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p n p n 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：g c t 在结构上是一个p n p n 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p n p n 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流动不会承受反向电压，用于电压源型变流器。 由于g c t 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。 2 1 2i g c t 的工作原理 当i g c t 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，i g c t 门一阴极间的p n 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2 2 所示。 i g 产l a + i g k x = o 导通状态时的g c t关断状态f 的g c t 图2 2i g c t 的导通态和阻断态的工作原理 f i g u r e2 2c o n d u c t i n ga n db l o c k i n gc o n d i t i o n sf o ri g c t i g c t 关断时，通过打开一个与阴极串联的开关( 通常是m o s f e t ) ，使p 基 极1 1 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l l a s 内) ，这样便把g t o 转化成为一个无接触基区的p n p 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g t o 的额定电流高 5 北京交通大学硕+ 学位论文 出许多。由于i g c t 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，i g c t 可以像s c r 一样用q 1 和q 2 组成的双晶体管等效电路模型进行 分析。如图2 3 所示，当i g c t 导通时，内部的p n p 晶体管q l 和n p n 晶体管q 2 处于相互正反馈的导通状态，情形与s c r 通态完全相同。在关断过程中，i g c t 集成门极驱动电路的工作原理可以用一个电压源v g k ( 大小为2 0 v ) 和一个高速电 子开关s o r t 来解释。为了关断i g c t ，s o f f 闭合，v g k 反向施加在q 2 的发射结端， 于是q 2 迅速转入截止状态，迫使i g c t 的阴极电流消失。q 2 的截止势必引起q 1 基极电流的减小，破坏q 1 和q 2 在通态下建立的正反馈平衡，并最终导致q 1 关 断。在q 2 截止到q 1 关断这段时间内，只要门极回路的电感足够小，i g c t 的阴 极电流就可以很快( 1 b t s 内) 从i g c t 的阴极“换流 至门极驱动电路。i g c t 的 阳极电流于是通过q l 的发射极和集电极、i g c t 的门极以及i g c t 门极驱动电路 内的s o n ：和v g k 继续流通，如图2 3 ( 右) 中i a 所示。由q 2 此时已经截止，q 1 将在基极开路的情况下对i a 进行关断。在完成关断后，s o f f 将保持闭合状态，以 保证i g c t 门极的负偏置和可靠截止。 由于i g c t 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“g t o 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i g c t 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。 2 i g c t 双晶体管等效 i g c t f 极换流 电路模型 图2 3i g c t 双晶体管模型( 左) 和门极换流( 右) 示意图 f i g u r e2 3t w o - t r a n s i s t o rm o d e ( 1 e 动a n dg a t ec o m m u t a t i o n ( r i g h t ) p r i n c i p l e so fl g c t 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，i g c t 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。 6 i g c t 工作原理和特性参数 综上可知i g c t 具有以下特点：i g c t 环流关断时间时间可降至1 m s 以内，这 为实现简单耐用的高压串联打下基础；由于i g c t 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【1 7 1 。 2 1 3i g c t 的关键技术 根据前述i g c t 的基本工作原理可知，i a 0 t 的器件结构设计在某些方蕊与 g t o 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( n e t ) 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n p t 单元上，电场将延伸到n 基区，在p n 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( p t ) 型器件，p t 型器件基区电场的梯度比n p t 电场要小的 多( 低的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，n t 型器 件比n p t 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2 4 所示。例如，在4 5 k v 的i g c t 中，采用缓冲层，所需芯片的厚度大约减少 4 0 。 田! 二二互二二盈m x ( 厚度) 图2 4n p t 与p t 型器件电场分布对比 f i g u r e2 a p t - n f fo fe l e c t r i cd e v i c e sd i s t r i b u t i o n 7 北京交通大学硕士学位论文 ( 二) 透明阳极技术 g c t 采用了缓冲层技术，而缓冲层的高电导率与传统g t o 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，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g t o 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p n 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g c 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，g c t 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g c t 充分利用 了上述技术的优点，并使优化的续流二极管和g c t 整体集成在同一芯片上。i g c t 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( d v d t ) 的情况下关断。为此，逆导g c t 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g t o 中，g t o 和二极管共用一个p 基区，这样g t o 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g t o 阴极电势相等，因此这 对门极电流是一种短路。逆导型g c t 用n 区将二者隔离，从而消除了以上影响， 如图2 1 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g c t 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g c t 集成， 因而被称为“i g c t 。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【1 8 】。 2 1 4i g c t 和g t o ，i g b t 的比较 i g c t 、g t o 和i g b t 各有自己的特剧9 】【l o 】【1 4 1 ，应用得当，都能在相应的领域 8 i a 玎工作原理和特性参数 发挥最佳的效果。现将i g c t 、g t o 和i g b t 做一个比较。比较的器件为： i g c t 4 5 0 0 v 3 0 0 0 a ，g t o - 4 5 0 0 v 3 0 0 0 a ，i g b t - 3 3 0 0 1 w 1 2 0 0 a 。 表2 1i g c t 和g t o ，i g b t 的比较 比较项 i g c tg t oi g b t 可靠性最高很高 高 硅片面积o 6 50 6 5l 通态损耗5 0 7 0 1 0 0 开通损耗 5 3 0 l o o 关断损耗 1 0 0 1 0 0 1 0 0 门极驱动功率 5 0 1 0 0 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m w 可控功率 低 低高 功率密度( m w m 3 )大大较小 d v d t 吸收电路可以不用必须用可以不用 d i d t 限制电路有有无 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i g c t 即有g t o 高阻断能力和低通态压降，又具备了和i g b t 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。 2 2i g c t 的特性参数 以下以a b b 公司生产的不对称型i g c t “5 s h y 3 5 l 4 5 1 0 为例，介绍i g c t 器件的特性参数【4 】。 2 2 1 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y d r m ：i g c t 在阻断状态能承受的最大正向重复电压 ( 门极加2 v 以上反向电压) 。对5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型i g c t ，y d r m = 4 5 0 0 v 。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i g c t 能承受的准静态最大电压值。而i g c t 能承受的最 大电压为断态不重复峰值电压( 7 d m ) 。但要注意的是，在门极加正向电压时， i g c t 只能承受额定电压。 反向断态重复峰值电压y r r m ：i g c t 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i g c t ，这个值在1 7 v 的范围内。而参数手册又将这个值分 为断态值( 艘m = l t v ) 和通态值( v e - e w = l o v ) 。如果此时i g c t 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定。如果反向电压超 过i g c t 的p d 肼，i g c t 将会进入反向雪崩，但如果这个电压的作用时间不超 过l o p s ，且电流不超过最大可控关断电流，i g c t 便不会被损坏。 断态重复峰值电流| f d r m ：i g c t 在重复峰值电压下的最大正向漏电流( 门极加 2 v 以上反向电压) 。对5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型i g c t ，d r ms5 0 m a 。 直流环节中间电压7d c l i n k ：海平面露天环境宇宙射线情况下，1 0 0 f i t 失效率时， i g c t 能够长久承受的直流电压( i f i t = 1 0 0 小时出现一次) 。对5 s h y 3 5 l 4 5 1 0 型i g c t ，7n c l i , a = 2 8 0 0 v 。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 5 2 机械参数 安装压力f m - 压装i g c t 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。 2 5 3 通态参数 最大通态平均电流，刑y ：正弦半波电流，壳温8 5 摄氏度，i g c t 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8 5 摄氏度，i g c t 所允许的最 大电流有效值。这两个值并没有什么实际意义，只是在选择或者比较器件时使 1 0 i g c t 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 5 s h y 3 5 l 4 5 1 0 型i g c t ，持续时间t p = 1 0 m s 时，j 删= 3 2 k a ；t v = l o o m s 时， = 1 2 k a 。此值是起始结温在1 2 5 摄氏度情况下测取的，浪涌电流通过后结 温为3 5 0 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。i g c t 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i g c t 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2 5 。 斜率电阻：图2 5 中的直线的斜率的倒数，对于5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型i g c t ，r r = 1 ( 4 0 0 0 i 3 ) = o 3 2 5 r n f l 。通态电压和通态损耗的计算如下： 巧( j r ) = v ( r o ) + 厶r r ( 2 1 ) 圪一黼2k r o i r ( _ v ) + _ 露t 嬲) ( 2 2 ) d 盯d 灯这是通态i g c t 的电流上升率的最大值。 f jl i t 纱 v t v t o = 1 42 7 图2 5i g c t 门槛电压和斜率电阻的确定 f i g u r e2 5t h ed e t e r m i n a t i o nf o ri g u rt h r e s h o l dv o l t a g ea n dt h es l o p eo ft h er e s i s t a n c e 2 5 4 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5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型i g c t ：d i r 站：1 0 0 0 a u s ，测试条件f = - 0 5 0 0 h z ，t j ：1 2 5 。c ， i f = 4 0 0 0 a ，v o = 2 8 0 0 v 。 最大可控关断电流l 剃：对5 s h y 3 5 i a 5 1 0 型i g c t 为厶叫n o o a 。 2 5 5i g c t 的安全工作区 北京交通大学硕七学位论文 i g c t 在工作时的电压、电流要在一定的范围内才是安全的，即i g c t 有一定的 安全工作区。图2 6 所示的5 s h y 3 5 l 4 5 1 0 型i g c t 的安全工作区是根据i g c t 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，d i d t 不能超过最大限制值。 图2 6i c j c t 的安全工作区 f i g u r e2 6i g c t ss a f e t yw o r ka r e a i g c t 如果工作在r c 吸收电路的情况下，安全工作区有所扩大。如图2 7 所示。 | 啪( 蜥 6 s 2 l o 6 - f 屯存嗳牧电路 # f 船缸暖收电赠 卜 、夏嚷收电 、 2 53 03 s4 05 s o v 知、，) 网 i 一 图2 7 加r c 吸收的i g c t 的安全工作区 f i g u r e2 7i g c t ss a f e t yw o r ka r e aw i mr ca b s o r p t i o n 2 3i g c t 驱动电路禾nf - 极硬驱动原理 2 3 1i g c t 门极驱动电路 1 2 i g c t 工作原理和特性参数 新型门极驱动单元采用2 0 4 0 v a c v d c 电源，在电源投入时有9 a 电流限制( 约 1 5 0 m s 时间) ，而旧型号门极驱动采用2 0 4 0 v d c ，无电源投入电流限制。门极驱 动电路原理如图所示【2 6 1 。 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- 2 0 v _ 4 0 va c ir 1r l 2 0 v - 4 0 v d cl l i ：哑计；h _ l 刁q 一一 l j 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 i l 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j r u 图2 8 门极驱动单兀功能示葸图 f i g u r e2 , 8t h ec o n f i g u r a t i o no fg a t e - d r i v eu n i tf o ri ( 观 首先，在门极供电部分，需要注意以下几点 ( 一) 绝缘：i g c t 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 ( 2 3 ) ，g n 。r m $ 其中，v o 为电源电压v a r y 嬲为最小供电电压，p o h v 为门极能耗，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： i a a r 暑2 j g = 2 1 ( 2 4 ) ，g n 鼢罄 其中，v 6 t 一，风为最小供电电压，p 6 - w 为门极能耗，k 为供电电流峰值， 1 3 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 ，m i n ，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g c t 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。 i t a a 【a 】 图2 9 最大门极输入功率示意图 f i g u r e2 9t h em a x i m u mi n p u tp o w e ro ft h eg a t e 其次在控制信号部分，我们需要考虑以下两点： ( 一) i g c t 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4 0 0 n s 的脉冲都将被滤除。滤波功能在通态和断态都执行。 2 3 2 门极硬驱动工作原理 1 4 i g c t 工作原理和特性参数 门极硬驱动开通时，先闭合v 1 、v 2 、v 3 ，在l l 、l 2 中建立起脉冲电流，当 电流达到一定值后，先断开v 3 ，电杆中的电流换至门端子，原理图和脉冲电流波 形如下图2 1 0 和图2 1 1 所示。 g 弋7 2 0 v 一 一 v l -_d 2 么 i l l d 1 彳r 、r 、一 = c l 2 v 3 d 3 v 2 ； 图2 1 0 开通驱动电路 f i g u r e2 10t h eo p e n i n gc i r c u i tf o rg a t e - d r i v e 由于门极电感很低，门极电流上升很快，这样就保证了i g c t 可靠而均匀导通。 而阳极电流的d i d t 也可以相应提高，从而减d , d i l d t 限制电抗器的尺寸和费用。 图2 1 1 开通脉冲电流 f i g u r e2 11t h eo p e n i n gc u r r e n t 如图2 1 2 所示，通过电流反馈控制v 4 斩波，将门极电流值控制在一定的水 平上，v 4 的开关频率可达6 0 k h z 7 0 k h z 。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。 1 5 北京交通犬学硕士学位论文 图2 1 2 通态门极驱动原理 f i g u r e2 1 2t h et u i l l - o i ic i r c u i tf o rg a t e - d r i v e 门极硬驱动关断时原理如图2 1 3 所示，将v 6 开通，电容c 将对门极反向放 电，将i g c t 关断。 2 0 v 丰 。 士c v 6 u v 图2 1 3i g c t 硬驱动原理 f i g u r e2 13t h eh a r dd r i v ec i r c u i to fl g c t 如图2 1 4 所示，i g c t 关断后，v 6 继续处于闭合状态，门极和阴极之间也有 2 0 v 反向电压，使i g c t 处于可靠状态。 此外，在电源逆变器中，当与i g c t 反并联的二极管处于导通状态，而i g c t 门极处于反向偏置时，i g c t 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 i g c t 和反并联的二极管看作开关) 电流过零时，g c t 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g c t 中 的电流分布不均，如不采取措施，不断重复的“功率脉冲 对g c t 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v g k 的极性，当v g k 变成正的时，给门极 加开通脉冲，如图2 1 5 所示。 内部触发的d i d t 5 0 a p s 的，用外部触发命令。 1 6 i g c t 工作原理和特性参数 l一 v o k 。 厂。 _ j f 1 0 。 附黻黼。 t 7 图2 1 4 通态时的重新触发 f i g u r e2 1 4t h er e t r i g g e ro f t u r n - o ns t a t e 0 7 1 2 1 2s jl l i g h tp l l t 7 i g 。 爬黼 t 7 图2 1 5 宽度在0 7 炉一1 2 p s 关断脉冲信号重新产生触发 f i g2 1 5t h er e t r i g g e ro f 0 7f t s - i 2 p ss h u t d o w np u l s e 北京交通大学硕十学位论文 3i g c t 相单元模块分析 在i g c t 变流器系统中，一般都是以多个i g c t 功率相单元构成变流电路【2 7 1 ， 相单元电路工作性能的优劣将直接决定i g c t 变流器的性能。在i g c t 测试实验平 台中，也以i g c t 功率相单元作为主要测试对象。因此，对i g c t 功率相单元电路 进行理论分析，探讨相单元参数对i g c t 器件通断的影响，有非常重要的意义 2 8 】【2 9 1 。 3 1i g c t 功率相单元电路原理 i g c t 功率相单元模块由两个串联i g c t 器件及其反并联二极管和钳位保护电 路构成