大功率半导体开关igc的研究

大功率半导体开关igc的研究

1门极驱动技术特点20世纪60年代初，根据pvmn4级三段件的原理，开发了一种自关断的gto装置，但由于技术和技术的限制，最终实现了gto在大型设备领域的转移。进入80年代以来,GTO技术得到了极大的发展,功率容量及技术性能不断提高,目前已达到6000A/6000V的水平。GTO是一种能通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件,具有导通电流密度高、耐压高及dV/dt耐量高等特性,在0.5~2MVA的变流器中得到了广泛应用。但由于它具有不均匀关断的特性,其应用电路中需要一个庞大的吸收电路来吸收关断过程中所产生的过电压并减小其关断损耗,同时其门极驱动电路较为复杂且驱动功率较大,限制了它的应用范围。90年代初期,大功率GTO发展几乎陷于停顿。人们注意到提高门极电流上升率dIG/dt对降低双极型器件存储时间的显著作用后,开始对大功率GTO器件的关断特性及机理进行大量而细致的研究,试图借助于门极硬驱动技术来改善大功率GTO器件的非均匀关断特性。但由于普通门极驱动回路中寄生电感较大,要达到硬驱动要求,驱动电压必定很高,对于3000A/4500VGTO而言,驱动电压在900V以上,这不仅需要庞大的门极驱动系统,驱动功耗很大,而且极有可能造成门-阴结的动态雪崩,得不偿失。90年代中期,ABB科研人员通过优化门极驱动单元和器件外壳设计,采用集成门极等技术,大大降低了门极驱动回路中的电感,只需20V的驱动电源便可满足硬驱动的要求。此时门-阴结几乎不会发生动态雪崩,驱动功耗比标准GTO亦有所减少,从而实现了GTO到HD-GTO(硬驱动GTO)的技术飞跃。与GTO相比,HD-GTO在关断特性等方面获得了突破,能实现在无吸收回路下的均匀而可靠的关断,开关损耗亦有所降低。为克服HD-GTO通态损耗较大的缺点,科研人员借鉴了IGBT在向中、高电压发展过程中所积累的各种降低损耗的技术后,对HD-GTO管芯的纵向结构进行了优化,出现了以“缓冲层结构”和“阳极透明发射极”为结构特征的HD-TGTO(硬驱动阳极透明GTO),并将它与其集成的硬驱动门控单元一起命名为IGCT(集成门极换流晶闸管)。由于缓冲层结构使器件厚度降低了30%左右,为其集成一个性能优良的反并联续流二极管创造了有利条件。综上所述,IGCT是一种基于GTO结构、门极回路电感很低以至于能实现各阴极发射极条准同步关断的新型大功率半导体器件,它综合了晶闸管通态损耗低和晶体管的均匀关断特性,具有良好的可制造性及高可靠性,功率容量比GTO更大,工作频率比GTO更高。表1是3000A/4500VGTO、HD-GTO及IGCT的特性对比。IGCT的问世得益于电路技术和半导体技术的完美结合,是大功率GTO器件技术发展的一个新的里程碑,为实现简单、高效、可靠的逆变器设计提供了极大的方便。2igct的结构和性能2.1设备的截面结构IGCT主要由主开关器件GCT及其相应的集成门极驱动单元组成。其核心器件GCT有图1所示的剖面结构。2.2igct的特性IGCT是以GTO为基础、并借鉴大功率IGBT的五层结构对其纵向进行优化设计而开发成功的新型器件。它具有与GTO完全不同的关断机理:在门极硬驱动信号作用下,在主阻断结电压上升前关断阴极发射极,全部阴极电流在1μs左右的时间内快速转换到门极,此后IGCT的关断转化为pnp晶体管的关断,完全避免了晶闸管类器件的非均匀关断现象。IGCT具有如下技术特点:2.2.1阴极梳条及环形门极结构与GTO一样,足够精细的分立阴极梳条结构及环形门极结构有利于其快速而均匀的开通与关断,门极环允许门极端子到硅片上门极条之间有很低的电感接触,有利于其达到实现门极硬驱动的技术条件。2.2.2缓冲层结构缓冲层结构就是在高阻n-层和p+发射极之间插入一轻掺杂的n缓冲层,这种pin结构能阻止电场向阳极扩展,使电场的分布为梯形而不是一般pn结的三角形分布,如图2所示,即使在较高的阻断电压下,最大电场强度仍然较低,具有较高的承受宇宙射线的能力。与常规GTO设计相比,硅片厚度减小1/3,整个损耗也降至最低。2.2.3阳极透明发射极结构为了实现低通态压降,要求处于导通状态的器件保持为晶闸管结构。IGCT采用了很薄的阳极发射区,关断期间阳极电压一旦建立,电子便能通过发射极排出,部分在金属电极界面处复合,而不注入空穴,此时无需采用阳极短路就可限制pnp晶体管的发射效率和增益,这样既可以大大提高门极触发灵敏度,同时也为引入n型缓冲层提供了可能。2.2.4门极硬驱动技术通过对门控单元及封装外壳进行低感设计,并将主开关器件与其门控单元集成到一块双面印制板上,可使IGCT门-阴回路中的杂散电感降至标准门极回路的1%(约为5nH),关断时的dIG/dt比标准驱动GTO增大了2个数量级。由于IGCT采用了阳极透明发射极技术,其门极单元体积大约是GTO门极驱动单元的一半,同时缓冲层通过减小N基区的存储电荷,可使其尾部电流持续时间(尾部电流经门极单元排出)也减小,从而降低了对门极驱动功率的要求。由于IGCT硬驱动门极控制允许关断增益为1和初始导通增益低(也接近于1),因此IGCT可以实现双极晶体管的动态特性。2.2.5逆导结构现有规格的IGCT主要用于电压源逆变器,因而采用了非对称技术,在其主开关GCT的单片上集成了一个反并联二极管。逆导结构关键要解决如下几个问题:1)GCT与二极管的隔离采用pnp结构将二极管和GCT的阻断结隔离,不管IGCT处于何种工作状态,此结构中总有一个pn结反偏,从而阻断了GCT门极与二极管阳极之间的电流通路,较好地解决了两者之间的隔离问题,同时充分利用了芯片面积。2)二极管本身的功耗由于GCT采用了缓冲层结构及阳极透明发射极结构设计,硅片厚度显著减小,且厚度与其配套续流二极管所要求的厚度能较好匹配,因而二极管功耗比逆导GTO上集成的二极管功耗要低得多。3)二极管恢复特性的控制IGCT具有无吸收电路下的可靠关断特性,因而要求其集成的反向续流二极管必须在无吸收电路和在高电流上升率(dir/dt)的情况下实现关断,否则其优点将会丧失殆尽,为此必须对二极管的Irr及其软度进行控制,以保证尾部电流下降到零的过程中反向电流不会断流。通过质子辐照等局部少子寿命控制的方法在硅片中形成非均匀的复合中心分布,可以较好地解决这一问题。2.2.6全压接技术全压接技术是相对于平常烧结工艺而言的,其硅片与钼片之间的电、热接触是通过外部封装压力来实现的,由于阳极透明发射极很薄,采用烧结工艺是无法控制的。这种结构具有如下主要特点:1)在动态与静态特性中得到一种满意的折衷;2)与烧结工艺相比,能减小工艺参数的离散性;3)减小硅片内部的应力分布。3igct产品特性3.1igct器件的通态特性IGCT通过利用缓冲层结构及阳极透明发射极技术实现了低通态压降和高关断能力。图3为IGCT器件的通态特性,其中给出了125℃下及1000~5000A电流范围内,通态压降的最大值(左)、最小值(右)及典型值(中)。此通态特性使得在T壳=85℃下,器件能通过2200A的均方根额定电流(正弦半波,50Hz)。3.2关断损耗的确定由于具有均匀开关特性,IGCT的关断能力大大提高。ABB半导体部开发的5SH35L4502器件关断和对应的关断损耗典型值(非重复值)见表2。图4给出了5kA下,吸收电容为4μF时IGCT的关断情形,其吸收电感大于200nH。缓冲层设计的特点在图中清晰可见,尾部电流大,持续时间短。采用不同的辐照工艺可以降低尾部电流及关断损耗,而通态电压只略有提高。4igct应用前景4.1无吸收关断保护简化的门控单元;关断时间及其分散性大大降低,非常适用于高压串联应用;低的开关损耗使其开关频率得以提高;无吸收关断及集成有高性能的续流二极管可以大大简化应用电路;系统可靠性高;IGCT的模块化属性使其置换非常简便;利用IGCT技术可以使功率控制装置成本降低30%以上。4.2控制数的无效铁路供电系统频率变换装置;通用变流器;机车电传动;功率因数控制用静止无功补偿装置;6.9kV(有效值)线电压的中压传动;化工、石油及能源工业中的水泵、风机驱动;船舶推进系统的电传动装置;感应加热谐振逆变器;静态断路器。5晶闸管互通性能由于采用了硬驱动、集成