集成门极换向型晶闸管的设计

集成门极换向型晶闸管的设计

1igct导通系统简介在目前的中压大规模应用中，有几种基于主导地位的半导器主要包括晶体门、gto和igdt。随着技术水平的不断提高,这些传统器件无论在功率容量还是在应用复杂程度等方面都有了长足的进展,但在实用方面还存在一些缺陷。传统GTO关断不均匀,需要笨重而昂贵的吸收电路。另外,因其门极驱动电路复杂,所需控制功率大,这就使得设计复杂,制造成本高,电路损耗大。IGBT虽无需吸收电路,但它的通态损耗大,而且可靠性不高。另外,单个IGBT的阻断电压较低,即使是新型的高压IGBT也不适合所有的中高电压领域,在高电压应用场合须串联,增加了系统的复杂性和损耗。IGCT是一种新型的电力电子器件,它将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点,即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能,关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外,IGCT还象GTO一样,具有制造成本低和成品率高的特点,有极好的应用前景。2门极驱动的等效电路IGCT是GCT(门极换向型晶闸管)和集成门极驱动电路的合称。当GCT工作在导通状态时,是一个象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,GCT门-阴极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1所示。GCT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-n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1μs内),这样便把GTO转化成为一个无接触基区的npn晶体管,消除了阴极发射极的正反馈作用,GTO也就均匀关断,而且没有载流子收缩效应。这样,它的最大关断电流比传统GTO的额定电流高出许多。由于GCT在增益接近1时关断,因此,保护性的吸收电路可以省去。图2所示为GTO的关断波形。GTO需要经过一个从导通到恢复阻断的瞬态过程,正是因为有这样一个“GTO区”,GTO才需要一个很大的吸收电路来抑制再加电压的变化dv/dt。图3所示为3kA/4.5kVIGCT的实测关断波形,图中示出了晶体管的典型关断波形。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。3ct器件结构设计根据前节所述GCT的基本工作原理可知,GCT的器件结构设计在某些方面与GTO完全相同。在实际设计制造过程中,为减少器件损耗,提高器件的性能,还采用了以下几项技术。3.1等效层区穿通材料传统的非穿通型(NPT)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4中曲线(1)所示。由图4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,其硅片的厚度就越厚,这样会导致器件的导通损耗和开关损耗也相应增大。采用基区穿通型设计后,在n-p+层之间引入n+缓冲层,并降低n-区掺杂浓度,由于电场被n+缓冲层阻挡,形成一个四边形电场分布,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率,降低了通态损耗和开关损耗。例如,在4.5kV的GCT中,采用缓冲层设计使芯片所需的厚度大约减少了40%。这样便能相应地降低导通和关断损耗。3.2民气污染结晶性能低GCT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。为获得低的通态压降,要求器件在导通态保持晶闸管工作方式,这就需要采用如图1所示的正反馈晶体管对。要实现低的关断损耗,必须限制阳极晶体管的增益,并要求其厚度薄和掺杂浓度低。透明阳极发射极,简称透明发射极(TransparentEmitter)或透明阳极(TransparentAnode)是一个发射效率依赖电流密度的很薄的pn结,其损耗和开通阈值电压都很低。在小电流下,透明阳极的发射率很高,因而对GCT的触发电流和通态门极电流要求都很低。一般情况下,GCT通态门极电流仅为GTO的1/10,这样就减小了门极触发功率。在另一方面,透明发射极在大电流下具有较低的注入效率,并且在关断期间,基区中的电子可以透过透明阳极达到金属接触界面处复合,为载流子的快速流出提供了通道,缩短了关断时间。3.3逆导型gct与gto的芯片组成对采用的问题由于现有的功率半导体器件多用在电压逆变器中,因而GCT也在结构上与反并联快速二极管集成。在采用缓冲层和透明阳极技术以前,GTO采用的硅本底厚度几乎是相应的反并联二极管的两倍,二者的芯片集成大大降低了二极管的性能。另外,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进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。在传统的逆导型GTO中,GTO和二极管共用一个p基区,这样GTO的门极电流会通过p基区流入二极管阳极。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5所示。3.4缓冲层gto采用“硬驱动”门极控制可使关断增益为1,初始导通增益也接近于1,GCT即可实现双极晶体管的动态特性,这要求将门极单元与GCT集成,因而被称为“IGCT”。采用透明发射极技术后,IGCT门极单元体积大约是GTO门极驱动单元的一半。同时缓冲层减少了n基区的贮存电荷,可使基区尾部电流持续时间减半(尾部电流经门极单元排出),从而降低了对门极驱动功率的要求。缓冲层技术使得GTO很适合硬驱动。在硬驱动条件下,在电场开始加在主结上之前,阴极停止注入电子,使得关断均匀,产生的热量在器件上均匀分布。由于关断过程中电流换向时间很短,因此要求门极电路有较低的电感。例如:用20V的门极电压关断1000A电流,阳极电流到门极的换向时间为1μs,则门极驱动电路的最大杂散电感可估算如下:Ls=VGdi/dt=20V1000A/μs=20Ls=VGdi/dt=20V1000A/μs=20nH(1)门极驱动电路要具有如此低的电感,通常的做法是将其与IGCT集成到一块印刷线路板上,并尽可能地靠近。4igct的典型应用4.1ct关断时间偏差与GTO相比,IGCT的一个突出的优点是存储时间短,因而在串联应用时,各个IGCT关断时间的偏差极小,其分担的电压会较为均衡,所以适合大功率应用。在铁路用100MVA(已商业化)转换控制网络的输出级中,采用了12个IGCT,每组6个串联,VDC-link(直流中间电路电压)额定值为10kV,输出电流为1430A。4.2cti判断由于牵引领域的广泛需要,逆导IGCT发展很快,IGCT可无吸收关断,比GTO逆变器更加紧凑。在目前已成功应用的IGCT三相逆变器中,只需要di/dt限制电路,门极驱动电源在中心放置,进一步减小了逆变器的体积。5igct的简介IGCT在GTO技