集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动

集成门极换流晶闸管（IGCT）原理及驱动,一、电力电子器件的发展二、IGCT的结构和工作原理三、基于ABB不对称型IGCT5SHY35L4510的驱动电路四、IGCT的应用简介及发展趋势,一、电力电子器件的发展,20世纪60年代开始，电力电子器件得到了迅速发展，从SCR(普通晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物硅场效应管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换相晶闸管)、IECT(注入增强型门极晶体管)、IPM(智能功率模块)。每一种新器件的出现都为电力变换技术的发展注入了新的活力，它或拓展了电力变换的应用领域，或使相关应用领域的电力变换装置的性能得到改善。,1.晶闸管（SCR）,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）是典型的半控器件，其电气图形如右图所示。主要优点是：容量大，工作可靠主要缺点是：半控，开关速度慢，对du/dt和di/dt比较敏感,2.门极可关断晶闸管（GTO）,3.电力晶体管（GTR）,电力晶体管（GiantTransistorGTR，直译过来为巨型晶体管)，其电气图形如右图所示。主要优点是：全控，通态压降低，开关时间短，控制方便主要缺点是：存在二次击穿问题，耐压难以提高，功耗大,4.电力场效应晶体管（MOSFET）,主要指绝缘栅型电力场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）。MOSFET电气图形如右图所示。主要优点是：全控，驱动功率小，开关时间最短、正温度系数主要缺点是：容量小，通态压降比较大,5.绝缘栅极双极晶体管（IGBT）,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor）其电气图形如右图所示。主要优点是：综合了GTR和MOSFET的优点主要缺点是：存在擎柱效应,集成门极换流晶闸管(IntergratedGateCommutatedThyristors)1997年由ABB公司提出。该器件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。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO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，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。,6.集成门极换流晶闸管（IGCT）,主要优点是：IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且制造成本低，成品率高，有很好的应用前景。,IGCT、GTO和IGBT的比较：比较的器件及容量为:IGCT-4500V/3000A，GTG-4500V/3000A，IGBT-3300V/1200A。,Thehighpowersemiconductordevicewithintegratedgateunitcombiningthebestoftwoworldsbyconductinglikeathyristorandswitchinglikeatransistor.,二、IGCT的结构和工作原理,1.IGCT的分类,按内部结构来分，IGCT可以分成以下三类:(l)不对称型(Asymmetric)在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，器件能正向承受高电压，但不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。一般需要从外部并联续流二极管。(2)反向阻断型(逆阻型)(Reverseblocking)在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管的串联，电流只能从一个方向(从阳极到阴极)流通，串联的二级管为这类器件提供了承受反向电压的能力。(3)反向导通型(逆导型)(Reverseconducting)在结构是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管的反向并联，电流可以两个方向流通，不能承受反向电压。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，变流器在结构上更加简洁，体积更小。,反向导通型(逆导型)IGCT,2.IGCT的结构特点,IGCT与GTO结构相似，它也是四层三端器件，内部由上千个GCT单元组成，阳极和门极共用，而阴极并联一起，故也是多元功率集成器件，便于门极关断控制。IGCT是通过印刷电路板将IGCT芯片与其门极驱动电路连接在一起，将门极驱动回路电感限制在nH级，为实现“门极换流”和“硬驱动”奠定了基础。,缓冲层技术通常在器件设计中，如果需要高的阻断电压值，就得要求硅片的厚度增加。但硅片厚度的增加必将导致导通和开关损耗的增大。IGCT采用缓冲层结构后，在相同阻断电压下，硅片厚度和标准结构更薄，从而大大降低了导通和开关损耗，从而提高了器件的效率。采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。,可穿透发射区也称透明阳极，透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。IGCT在GTO结构的基础上，去掉阳极短路点，并利用了可穿透发射区技术。其发射效率和电流密度密切相关。在低电流密度下，其发射效率很高。但在大电流密度下，阳极的注入效率将很低。实现门极换流需要依靠这个结构。,门极硬驱动技术门极硬驱动技术是指在晶闸管开通和关断的过程中的极短时间内,给其门极加以上升率和幅值都很大的驱动信号，可使被驱动晶闸管存储时间将至us级，几乎做到同步开关，使晶闸管器件的关断能力大大超过其额定值。系统设计者可根据应用要求在开通频率和驱动功率控制能力之间加以选择，以达到一种合适的组合，在加速开关速率的同时降低开关损耗。,此外IGCT还采用了阴极疏条结构、阴极杂质分布、离子注入扩散工艺、精密光刻工艺、疏条成型工艺、无机膜及刻蚀工艺和溅射复合材料等工艺，在此就不做详细阐述了。,3.IGCT的工作原理,IGCT常采用下图所示的双晶体管模型进行等效分析。在阳极正向偏置条件下，IGCT的阳极电流可由下式给出：,式中：Q1、Q2集电极-基极反向漏电流；Q1、Q2共基极电流放大倍数。,IGCT驱动中最具特点的是其借助集成门极电路实现的“门极换流”和“硬驱动”关断过程。,IGCT的导通过程：,开通时门极施以正强电压初瞬，GCT处于NNP晶体管状态，这时晶体管作用大于晶闸管作用。转入导通后，GCT仍可用两正反馈的晶体管等效，强烈的正反馈使两晶体管都饱和导通。时，IGCT完成了导通过程。,门极施以正强电压后：,IGCT的关断过程：,我们知道GTO有通和断两个稳定工作状态，但在它们之间(开断过程)，则是不稳定状态。IGCT采用一种新的低电感驱动电路，在门极(-20V)偏置状态下，通过应驱动电路可获得4000A/us电流变化率。它使得在大约1us时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流不通过阴极，而从门极流出。晶闸管的PNPN四层结构暂时变为PNP晶体管三层结构，有了稳定的中间状态。在IGCT的关断过程中，IGCT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”，所以需要很大的吸收电路来抑制电压变化率。,当UGK被反向施加到IGCT的门极和阴极之间，IGCT关断过程由此开始，包括三个阶段:首先门极被反向偏置后，UGK即开始从IGCT的P、N基区抽出超量存储的少数载流子。等到少子被基本抽取干净后，J3结逐步阻断，这段时间称为存储时间(ts)。它与少子寿命、PN基区宽度有关，驱动电路提供电流大小有关。驱动电流越大，存储时间越小。其次在J3结截止后，IGCT阳极电压开始快速建立和上升，IGCT开始逐步恢复阻断能力。由于IGCT的J3结在存储时间内己经截止，IGCT的电流也随即从IGCT的阴极换流到门极。因此电流通过Q1的发射极和集电极、IGCT门极以及门极驱动电路内继续流通。IGCT关断电流越大，下降时间越长。较高的门极电流上升率可以缩短IGCT关断下降时间。,具体的导通过程如下：,最后N基区及其它区域内剩余的存储电荷无法通过门极电流抽取，只能通过复合而逐渐消失。透明发射极使得基区中的电子是可以透过透明阳极达到金属接触面处复合，为载流子的快速流出提供了通道，缩短了关断时间。因此在IGCT关断过程的末期，阳极电流总是拖着尾巴，相应的时间称为拖尾时间。它主要取决于器件的制造工艺，受驱动参数的影响大。IGCT关断后，门极维持负偏置，以保证IGCT的可靠截止。,三、基于ABB不对称型IGCT5SHY35L4510的驱动电路,1.5SHY35L4510简介,断态重复峰值电压VDRM:IGCT在阻断状态能承受的正向最大重复电压(门极加-2V以上反向电压)。VDRM=4500V断态重复峰值电流IDRM:IGCT在重复峰值阻断电压下的正向漏电流(门极加-2V以上反向电压)。IDRM50mA直流链电压VDC-link:海平面露天环境宇宙射线情况下，100FIT失效率时，IGCT所能长久承受的直流电压(1FIT=109小时出现1次失效)。VDC-link=2800V反向电压VRRM：因为器件是不对称型，所以不能承受高的反电压。通态时，VRRM=10V,断态时VRRM=17V。,阻断参数：,通态参数：,最大通态平均电流IT(AV)M：正弦半波电流，壳温Tc=85时，IGCT所能允许的最大平均电流。IT(AV)M=1700A,最大不重复浪涌电流峰值ITSM：此值大小与浪涌电流的持续时间有关。持续时间tp=10ms时，ITSM=32kA；tp=30ms时，ITSM=21kA。此值是在结温Tj=125情况下测取的。浪涌电流后的结温为350。在浪涌电流过后，IGCT不能马上承受电压，要经过一定的时间恢复后，才能承受电压且IGCT承受这种浪涌电流的次数是有限的。通态压降VT:规定通态电流下IT=4000A测得的IGCT通态管压降。VT=2.352.7V门槛电压VTO和斜率电阻rT的确定方法如下图所示。,开通参数：,最大通态电流上升率diT/dtcr:测试条件:f=0500Hz，Tj=125，IT=4000A，VD=2800V：diT/dtcr=1000A/s,最小通态时间ton:维持导通状态的最小时间，IGCT导通状态的时间应大于此时间。ton=40s开通脉冲能量Eon:IGCT开通一次所消耗的能量。Eon=1.5J开通延时tdon=3.5s和上升时间tr=1s如右图所示。,最大可控关断电流ITGQM:IGCT能够关断的最大电流。ITGQM=4000A关断脉冲能量Eoff:IGCT关断一次所消耗的能量。Eoff=19.522J关断延时tdoff=7s和下降时间tf如下图所示：,关断参数：,2.5SHY35L4510的门极驱动,驱动电路原理框图,IGCT的门极硬驱动开通,先闭合Q0、Q1、Q2，在L1、L2中建立起脉冲电流，当电流达到一定幅值后，先断开Q1，然后再断开Q2，电感中的电流换流至极门端子，产生两个强脉冲触发信号，保证IGCT导通。脉冲电流波形如下图所示。,通态时的门极驱动如右图所示。通过电流反馈和温度反馈控制Q3斩波，将门极电流控制在一定的水平上，维持IGCT的导通。,IGCT通态时的门极驱动,虽然IGCT在导通后，即使没有门极电流IGCT也能在阳极电流不小于维持电流的情况下维持导通。但对于很多应用，需要IGCT在阳极电流小于维持电流的时候继续导通。所以在IGCT导通后，驱动电路需继续向IGCT提供一定幅值的门极驱动电流以维持IGCT的导通（通态门极维持电流的大小与温度有很大的关系，温度越低维持电流越大）。,IGCT硬驱动关断,当将V6（或Soff）开通时，电容C对门极反向放电将IGCT关断。,C一般采用铝电解电容，单位体积容量特大1800uF/35v，单位容量价格最低，重量最轻。其缺点是容量误差大，损耗大，漏电流大，时间稳定性差，容量损耗，温度频率特性也很差。,四、IGCT的应用简介及发展趋势,1.IGCT的应用简介,IGCT在变频器中的应用,低压IGBT和高压IGBT在高电压变频器中都采用。但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。元件总体数量增加使变频器可靠性降低、柜体尺寸增大、成本提高。相同电压等级的变频器采用IGCT的数量只需低压IGBT的五分之一。并且，由于IGCT损耗很小，所需的冷却装置较小，因而内在的可靠性更高。更少的元件还意味着更小的体积。尽管IGCT变频器不需要限制du/dt的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制di/dt（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。整套逆变器由11个元器件组成：6个IGCT（带集成反向二极管），1个电抗，1个钳位二极管，1个钳位电容和1个电阻，一套门极驱动电源，结构紧凑，并且元器件数少、可靠性高、成本低。,在其他场合的应用石化挤出机，轧钢机，兆瓦级风力发电变流器，矿井提升机，发电厂凝结水泵，连续混炼机，机车牵引等方面都有应用。,低压高频IGCT满足低电压、大电流、低损耗、高开管频率应用的要求