IGCT大功率器件

1、.集成门极换流晶闸管（IGCT）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。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

2、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

3、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。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。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

4、，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.1.1 整流管整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有M

5、PS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。1.2 晶闸管自1957年美国通用电气公司GE研制出第一个晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革，为新器件开发研制奠定了基础，其后派生出各种系列产品。1964年，GE公司成功开发双向晶闸管，将其应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管问世，为其后出现的光耦合器打下了基础；60年代后期，出现了大功率逆变晶闸管，成为当时逆变电路的基本元件；逆导晶闸管和非对称晶闸管于1974年研制完成。晶闸管只能由门极控制导通，导通后门极便失去控制作用

6、，因此称之为半控型器件，普通晶闸管(Thysister)是目前阻断电压最高、流过电流最大、承受、能力最强的电力电子器件，现在已能生产8kV/4kA和6kV/6kA的晶闸管。但由于PN结的载流子积蓄效应，开关频率只能在500Hz以下。1.3 门极可关断晶闸管（GTO）GTO可达到晶闸管相同水平的电压、电流等级，工作频率也可扩展到1kHz。1964年，美国第一次试制成功了0.5kV/10A的GTO。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、25OOV/I000A、4500V/2400A的产品，目前已达到9kV/25kA/0.8kHz及6 kV/6kA/1kHz的水平

7、。GTO包括对称、非对称和逆导三种类型。非对称GTO相对于对称GTO，具有通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000v以上)的特点。逆导型GTO，由于是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，因此不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大，工作频率最低， 通态压降大、及耐量低，需要庞大的吸收电路。但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中高压领域中必将占有一席之地。1.4 大功率晶体管(GTR)GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，20世纪70年代中期，双极性晶体管(BJT)扩展到高功率领域，产生大功率晶体管

8、(GTR)，它由基极(B)电流的正、负控制集电极(C)和发射极(E)的通、断，也属全控型器件。由于能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，曾经风靡一时，在20世纪七八十年代成为逆交器、变频器等电力电子装置的主导功率开关器件，开关频率可达5kHz。但是GTR存在许多不足:对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区(SOA)小；通态损耗和关断时存储时间()存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，便长，既影响开关频率，又增加关断损耗大;承受及能力低;单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能(抑制及，

9、改变感性负载时的动态负载线使在SOA内，减小动态损耗)，运用时必须加缓冲电路。目前的器件水平约为：1800V/800，2kHz；1400V/600，2kHz；600V/3，100kHz。1.5 功率MOSFET功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜

10、运用于大功率装置。顺便强调一下，由于MOSFET管内阻与电压成比例，它在要求低压(331V)电源的电脑和通信等领域则可大显身手，目前MOSFET的导通电阻可减小至610，主要用于高频开关电源的同步电流。 1.6 绝缘栅双极晶体管(IGBT)20世纪80年代绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子器件(G T O、G T R)和多子器件(MOSFET)各自的优良特性，既有输入阻抗高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降下，电压耐量高的长处。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若

11、提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IG

12、BT已逐步替代GTR成为核心元件。IGBT早已做到1800V/800，10kHz;1200V/600，20kHz的商品化，600V/100的硬开关工作频率可达150kHz。高压IGBT已有3300V/1200和4500V/900的器件。由于IGBT的综合优良性能，事实上已取代了GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流器件。目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT)模块是高耐压大电流IGBT通常采用的结构，它避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用率下降.所以这种平板结构的高压大电流IGBT

13、模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。 1.7集成门极换流晶闸管（IGCT） 集成门极换流晶闸管 IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是 1996 年问世的一 种新型半导体开关器件。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

14、路。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量 0.5M3MVA，三电 平逆变器 1M6MVA。若反向二极管分离，不与 IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可 扩至 4.5MVA，三电平扩至 9MVA，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。目前，IGCT 已经商品化，ABB 公司制造的 IGCT 产品的最高性能参数为 4.5kV4kA，最高研制水平为 6kV4kA。1998 年，日本三菱公司开发了直径为 88mm 的 6kV4kA 的 GCT 晶闸管。2. IGCT 的结构与工作原理 门极换流晶闸管 GCT 的结构，GCT 内部由成千个 GCT 组成，阳极和门极共用，而阴 极并联在一

15、起。与 GTO 的重要差别是 GCT 阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代 替 GTO 的短路阳极。其导通机理与 GTO 一样，但关断机理与 GTO 完全不同。在 GCT 的 关断过程中，GCT 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 dudt 限制； 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， 而 即GTO 区，所以 GTO 需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率 dudt。阻断状态下 GCT 的等效电路可认为是一个基极开路、低增益 PNP 晶体管与门极电源的串联。 GCT 无中间区、无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴

16、极注入瞬时停止，不参 与以后过程。改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在 P 基 N 发射结外施加很高负电 压，使阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（门极换向晶闸管即由此得名） ，不活跃 的 NPN 管一停止注入，PNP 管即因无基极电流容易关断。GCT 成为 PNP 管早于它承受全 阻断电压的时间，而 GTO 却是赟 CR 转态下承受全阻断电压的，所以 GCT 可像 IGBT 无缓 冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。 3.IGCT 的关键技术 （1）缓冲层 在传统 GTO、二极管及 IGBT 等器件中，采用缓冲层形成穿通型（PT） 结构，与非穿通型（NPT）结构相比，它在相同

17、的阻断电压下可使器件的厚度降低约 30%。 同理，在 GCT 中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的 效率，降低了通态压降和开关损耗，可得到较好的 VT-Eoff。同时，采用缓冲层还使单片 GCT 与二极管的组合成为可能。 （2）透明阳极 为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求 阳极的厚度要薄，浓度要低。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。传统的 GTO 采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替阳极短路，可使 GCT 的触发电流比传统无缓冲层 的 GTO

18、降低一个数量级。GCT 的结构与 IGBT 相比，因不含 MOS 结构而从根本上得以简 化。 （3） 逆导技术 GCT 大多制成逆导型， 它可与优化续流二极管 FWD 单片集成在同一芯 片上。由于二极管和 GCT 享有同一个阻断结，GCT 的 P 基区与二极管的阳极相连，这样在 GCT 门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导 GCT 与二极管隔离区中因为有 PNP 结构， 其中总有一个 PN 结反偏，从而阻断了 GCT 与二极管阳极间的电流流通。 （4）极驱动技术 IGCT 触发功率小，可以把触发及状态监视电路和 IGCT 管芯做成一 个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。在图

19、1（A）中，GCT 与门极驱 动器相距很近（间距 15cm） ，该门极驱动器可以容易地装人不同的装置中，因此可认为该结 构是一种通用形式。为了使 IGCT 的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围 GCT，并 与 GCT 和冷却装置形成一个自然整体， 称为环绕型 IGCT， 如图 1 （B） 所示， 其中包括 GCT 门极驱动电路所需的全部元件。 这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小， 并降低了门 极驱动电路的元件数、热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本 和失效率。所以说，IGCT 在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT 开 关过程一致性好，可以方

20、便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。 总之，在采用缓冲层、透明阳极、逆导技术和门极驱动技术后，IGCT 从 GTO 中脱颖 而出，在所有中高压领域及功率为 0.5M100MVA 的应用中代替了 GTO。 4. IGCT 应用 带有标准配置门极单元的 IGCT 广泛应用于电压源型逆变器、 电流源型逆变器、 斩波器、 静态断路器和许多其它拓扑电路。 与标准 GTO 相比，IGCT 的最显著特点是存储时间短，因此器件之间关断时间的差异 很小，可方便地将 IGCT 进行串并联，适合应用于大功率的范围。ABB 公司已将 IGCT 用于 100MVA 的铁路交叉拉杆设备上， 实现三相 50Hz 和单相

21、16Hz 之间的变频。 16Hz 的输出 在 端，共有 12 支 H 型桥路，每个 H 型桥路包括 46 串联联结的 IGCT 模块。6 只 IGCT 中， 有 1 只为冗余设计，因为存在冗余，保证了变频器的可靠性。设备的额定相输出电流为 1430A，由于 IGCT 采用无缓冲设计，且与二极管集成制造，因此系统所使用的元器件数与 传统的 GTO 相比减少一半以上，系统更加简单、可靠。据 ABB 报道2，此设备一年多来 一直运转正常，IGCT 器件总的安全无故障时间已达 1.8106h。 IGCT 应用的另一实例是将它用于换能器。因不须采用抑制 dV/dt 的缓冲电路，且门极 驱动为集成驱动，所

22、以换能器体积明显减小。另外由于 IGCT 具有低通态损耗，极小的开通 和关断损耗，并联二极管优化设计，使换能器的工作效率极高，其冷却方式可用水冷。如功 率为 3MVA 的换能器，其直流链路电压为 2800V，相电流额定值为 1000A，开关频率可达 200Hz，其全功率效率高达 99.65，而其体积只有 0.152m3。 IGCT 是 ABB 研究的成果，是一种理想的大功率开关器件，ABB 称 IGCT 的问世是电 力半导体器件的重大突破和飞跃， 是电力半导体器件发展的里程碑， 并宣称现已为全美提供 了 IGCT 的系列产品。 IGCT 的这些优良特性， 使它在刚诞生不久就在中大功率装置中得到

23、了应用3。 据报导， 它可用于 2.3kV、3.3kV、4.16kV、6.9kV 的电压、0.5100MVA 的功率范围，具体用途是 调速驱动、高动态轧钢驱动和大功率直流输电等方面。其装置成本低，体积小，效率高，可 靠性高。 IGBT 同 IGCT 相比，因其触发为电压型，驱动电路十分简单，受到用户的欢迎，发达 国家均以巨资开发和生产这种器件。目前，IGBT 的容量达 1200A、3300V，预计今后几年 内其容量将有大的突破。笔者认为，由于每种器件的性能差异，使它们在不同的功率和频率的应用中具有自己独特的领域，如西门子的 SIMOVERT 的 MD、MV、ML、D4 种变频器因 功率和频率不

24、同，分别选用的器件是 IGBT、GTO 和 SCR。 IGCT 变频器 低压 IGBT 和高压 IGBT 在高电压变频器中都采用。IGBT 具有快速的开关性能，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。对低压 IGBT 来讲，高 压 IGBT 串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。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。因此高压、大电流变频调速器在 IGBT 和 GTO 成熟技术 的基础上，有了简洁的方案-IGC。这个优化的技术包含了对 GTO 的重新设计，使其具有重 要的设计突破。新的 IGCT 引进了快速、均衡换流和内在的低损耗，主要的设计性能含有可 靠的阳极设计来达到快速泄流、 低损耗薄型硅晶片使切换快速以及使用大功率半导体的集成 型门驱动器。 由于 IGCT 象 IGBT 那样具有快速开关功能，象 GTO 那样导电损耗低，在高压、大电 流各种应用领域中可靠性