大功率发射极关断晶闸管eo的发展与展望

大功率发射极关断晶闸管eo的发展与展望

1dv/dt缓冲器在瓦级功率应用中，晶门管是唯一的应用产品，但由于它是一个半控制器，没有门极限制能力，因此很难满足现代变流器控制技术的要求。GTO在高压直流输电(HVDC)和兆瓦级应用中已取得成功,但缺点是:导通暂态电流的不均匀分布会引起di/dt问题,需要di/dt缓冲器;同时也造成反偏安全工作区(RBSOA)比较小;p-n-p-n四层结构使得GTO对dv/dt比较敏感,因此关断时需要dv/dt缓冲器;门极驱动器体积大,消耗的功率达数百瓦;存储时间长,动态响应慢,工作频率一般限制在1kHz以下。发射极关断晶闸管(ETO)是美国乔治那技术学院电力电子系统中心研制的,目前出品的型号为ETO4060,其额定容量可达6kV/4kA,是世界上容量最大的MOS控制型电力电子器件。ETO的全称是EmitterTurn-off(ETO)Thyistor,中文名可称为发射极关断晶闸管,它可看成是GTO的改良版,由GTO和MOSFET混合而成,因此既秉承了GTO的大功率特性,也改善了其开关能力和控制特性。2eto的关断过程图1示出ETO的结构原理与电气符号。它通过一对MOSFET(VQE和VQG)来控制GTO的通断,其中VQE充当发射极开关与GTO串联;VQG充当门极开关与GTO门极相连。在ETO需要关断时,VQE关断,VQG导通,GTO的阴极电流被强迫全部转换到门极电路而关断ETO,这一过程持续时间非常短,因此关断速度很快。另外与GTO关断不同的是,ETO的关断过程是电压控制型,其关断能量由阳极电流提供,因此ETO的门极驱动电路可做得很紧凑,并且消耗功率也很小。在ETO需要导通时,先使VQE导通,VQG关断,同时向GTO门极注入很强的电流触发脉冲来导通ETO,其导通过程与GTO的导通基本类似,导通需要的能量由ETO门极驱动器提供。在ETO的导通状态下一般要向GTO的门极提供一个小的直流电流信号,以确保GTO保持较低的通态损耗。3eto的电流传导能力ETO优良的特性主要来自其采用独特的硬驱动技术。该硬驱动技术在IGCT中已得到了体现,只是实现的方式不一样。在ETO中硬驱动是由VQE和VQG共同完成的。在硬驱动关断条件下,VQE关断,VQG导通,GTO的阴极电流在阳极电压上升之前几乎瞬间全部换流到门极,这样GTO的发射结在关断过程中就会全部反偏,加速ETO均匀关断。因为硬驱动关断中门极电流与阳极电流相等,因此该过程也称为单位增益关断。在这种单位增益关断条件下,ETO的关断过程实际上变为一个pnp晶体管导通的过程(见图1)。它可进一步确保在整个关断的暂态过程中电流在GTO胞元中的均匀分布,而不至于发生拥挤现象,因此可实现ETO无缓冲关断,其无缓冲关断过程的波形见图2,其中Va和Ia分别为阳极电压和阳极电流波形。另外,在硬驱动关断条件下,关断时间大大缩短,关断电流在GTO胞元中分配均匀。因此,虽然单个GTO胞元的电流限制不变,但总电流却大大增加,因而采用硬驱动技术的GTO比普通GTO具有更宽的RBSOA。由于硬驱动GTO能通过很大的门极电流迅速移除电荷,所以大大提高了ETO的工作速度,其速度可达GTO的5~10倍。对于关断过程,存储时间只有1μs,而典型GTO的存储时间是20μs左右,加上电流下降时间缩短为只有0.5μs左右,因此ETO总的最小关断时间可低于20μs,而典型GTO的最小关断时间大约是80μs。另外,因为降低了ETO门极的杂散电感,注入的开通电流脉冲可以更高、更快,这样便可进一步加速开通过程。型号为ETO1045S的1kA/4.5kVETO开通时间小于20μs。假设开关的最小和最大占空比分别为10%,90%,则该ETO的最大开关频率可达5kHz。由于MOSFET是典型的电压控制型器件,而ETO的关断是由MOSFET控制的,因此关断ETO就像关断IGBT一样容易,只需要一个电压信号就可关断数千安培的电流。但是ETO的导通仍然属于电流型控制,同时需要一个额外的驱动用独立电源,不过ETO驱动电源需要的功率远低于GTO,也小于IGCT,因此体积很小,并且为了使设备更紧凑、方便用户使用,开发者还把ETO与其驱动板集成在一起,并提供了板内独立电源和光纤接口(见图3),用户所要做的只是提供控制信号。除改善RBSOA、速度和驱动控制外,ETO还有正向电流饱和能力,或称具有正向安全工作区(FBSOA),FBSOA是由VQE产生的。在正常导通方式下,VQE的压降总小于其阈值。当电流很大,VQE的端电压达到其阈值时,一部分阳极电流将会分流到门极通路。因为电流从门极流出会产生关断ETO的趋势,因此ETO的电流传导能力下降,电压降增加,这个过程将一直持续到阳极电流不随ETO电压的增加而增加为止。因此RBSOA的存在对电流的异常增加起到了缓冲和抑制作用。4eto串联连接的必要性要提高并联器件的关断能力,首先要减小关断存储时间,使电流在各个胞元中的分配更加一致。然而,ETO的单位增益关断技术恰好使它满足该条件。在单位增益关断下,存储时间就是用于移除p沟道中少子的时间。由于阴极注入被截断,在关断前p沟道中的少子仅仅是从初始密度下减少的,因此移除少子的时间要少得多。另外,单位关断增益条件下,移除p沟道少子的门极电流就等于器件的阳极电流,在两个ETO并联的情况下,电流将在速度较快的ETO结束存储过程之后涌向存储时间较长的慢速器件,使慢速器件的电流增加,不过阳极电流的增加会使少子的移除速度加快,这反过来会使慢速ETO的存储时间缩短,因此并联连接的ETO具有自动调小存储时间差的功能。而且原本存储时间差越大,这种调节能力就越强。因此这是一个负反馈过程,可大大减轻电流阻塞的压力。所以ETO并联之后也可实现无缓冲关断。除了关断之外,器件并联需要解决的另一个问题是电流动态均分,这需要器件具有正温度系数的I-V特性,因为这种特性会自动调节电流在各个器件之间的均分。高压GTO一般具有这种特性。ETO的正温度系数的I-V特性更好,因为ETO中与发射极串联的MOSFET具有强烈的正温度系数,所以ETO并联运行的电流动态均分会更迅速。串联的关键问题是如何在导通和关断的暂态过程中确保统一的动态电压均分。对于ETO而言,由于存储时间大大减小,ETO的存储时间分布情况要比GTO好得多。同一批量ETO的存储时间差控制在±10%之内一般是不成问题的,绝对最大差值可降低到100ns以内。在保守估计下,两个存储时间差为100ns的ETO串联使用时,其动态电压平衡电容可降低到0.5μF,此时关断过程中电压差是0.2kV,小于额定电压的5%,而导通延迟时间的差异几乎没有。考虑到需要导通di/dt缓冲器来控制二极管的反相恢复,因此在串联连接时导通不成问题。串联ETO的存储时间可通过在其VQE的门极上串联一个电阻得到调整。该门极电阻会延迟VQE的关断过程,这就延迟了ETO的关断过程。由于该电阻与器件搭配在一起而非与门极驱动器搭配在一起,因此ETO的存储时间极易校正。如果存储时间匹配的很好,ETO甚至可在没有di/dt的情况下串联,其电压均分性能仍然可满足要求。5eto及反串联电极ETO在大功率工业中最典型应用是三相逆变器。这里以三相逆变器为例,说明ETO实用中应处理的一些问题。图4是基于ETO的三相逆变器原理图。若使用额定值为4.5kV/1kA的ETO1045S型器件,则实际应用中因受发热的限制,一般只能工作在300~400A的平均电流下,承受的母线电压可高达3kV,在双侧冷却情况下,开关频率可高于1.5kHz,且器件不会产生过大的应力。逆变器每一相由两个ETO和反并联二极管、一个箝位二极管、箝位电容、门极驱动器及适当的散热片构成。ETO和二极管封装在一起。每一相构成一个模块,含5个散热片,除了消耗功率很小的箝位二极管外,每个器件都是双侧冷却。因ETO的额定电流很大,因此一般采用水冷散热,这样既减小装置体积,又提高设备使用效率。前述提到ETO具有无缓冲关断能力,但实际应用中与其反并联的二极管并不能无缓冲关断,所以仍需设置di/dt缓冲器。缓冲器可沿用传统的RLD结构(见图4)。该缓冲器的存在也会大大降低ETO的导通损耗,当上下开关同时导通时还可防止两个器件的击穿损坏。对于上例中设计的逆变器,采用的二极管在关断时可承受最大500A/μs的di/dt,这样选择的缓冲器电感是6.7μH。为了对ETO产生最小的电压应力,每一相都要集成箝位电路,该箝位电路由一个二极管和一个高频低阻抗电容构成。该电容应该安装得与ETO很接近,这样可吸收母线寄生电感的能量。箝位二极管与di/dt缓冲器使用的二极管是同一个二极管,这种集成减少了元件数,也简化了结构(见图4)。6作为发展社会主义和谐社会的mems与继续扩大功率晶闸管的半控性、GTO复杂的驱动控制、慢速的开关特性及较小的安全工作区使它很难满足现代大功率应用领域高品质性能的要求。为此,开发性能更加优越