IGCT门极驱动电路
【资料】集成门极换流晶闸管(igct)原理及驱动汇编
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。
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
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。
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）是在SCR问世后不久出现的全控型器件，其 电气图形如右图所示。
主要优点是：全控，容量大，工作可靠 主要缺点是：开关速度比较慢，需要门极大电流
才能实现开断，关断控制较易失败
3.电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译过来
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)(Reverse blocking)
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动课件
IGCT在高压直流输电中的应用
总结词
高电压、大容量
详细描述
IGCT在高压直流输电中作为核心的开关器件，能够承受高电压和大电流的冲击，保证直流输电的稳定性和可靠性 。
IGCT在轨道交通牵引系统中的应用
总结词
高频率、低损耗
详细描述
IGCT在轨道交通牵引系统中作为逆变器的主要开关器件，能够实现高频率的开关动作和低损耗的能量 转换，提高牵引系统的效率和可靠性。
触发脉冲同步与去抖动
为确保触发脉冲的有效传输和可靠触发，需要采取同步和去抖动措 施，以提高驱动系统的稳定性和可靠性。
IGCT的驱动保护技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 2 3
过电流保护
当IGCT的工作电流超过额定值时，需要采取有效 的过电流保护措施，以避免设备损坏和故障扩大 。
过电压保护
当IGCT的工作电压超过额定值时，需要采取有效 的过电压保护措施，以避免设备损坏和绝缘击穿 。
IGCT在未来的应用前景
风电与光伏逆变器
利用IGCT的高效性能，实现风电和光伏系统的稳定并网。
智能电网
作为关键的电力电子器件，IGCT在智能电网的能量转换和调度 中发挥重要作用。
轨道交通
在轨道交通牵引系统中，IGCT可提高系统的能效和可靠性。
如何应对IGCT发展中的挑战
加强基础研究
加大对IGCT材料、器件结构、驱动与控制等方面的研究力度，突破 关键技术瓶颈。
本。
IGCT的应用领域
HVDC
01
FACTS
02
03
电机控制
IGCT的高电压和大电流特性使其 成为高压直流输电系统的理想选 择。
通过使用IGCT，可以灵活地控制 交流输电线路的电压和阻抗，提 高电力系统的稳定性。
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。
信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。
常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。
其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。
这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。
驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。
通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。
保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。
保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。
过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。
过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。
短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。
总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。
同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。
(完整版)IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究
IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究集成门极换流晶闸管(IGCT)是一种新型大功率半导体器件,它是将门极换流晶闸管(GCT)和门极驱动器以低电感方式通过印制电路板(PCB)集成在一起,具有很好的应用前景。
GCT的开通和关断需要借助集成门极“硬驱动”电路完成,驱动电路的优劣直接影响到器件的优良特性能否实现,因此必须严格控制电路中的杂散电感。
并且,在驱动电路和应用系统的设计时缺少IGCT的电路仿真模型。
本文针对以上问题,对4500V/4000AIGCT电路模型和驱动电路的关键技术进行研究和探讨,主要内容有以下几个方面:1.研究IGCT的开关原理和内部换流机理,建立IGCT的“硬驱动”电路仿真模型(M-2T-3R-C),该模型能够较准确地表征IGCT开关特性和内部换流机理,在电路仿真时可以替代GCT器件。
对关键模型参数进行分析与提取,验证该模型的准确性。
在此基础上建立了双芯GCT(Dual-GCT)的电路仿真模型,将仿真波形与同条件下的实验波形对比,验证了该模型的准确性。
并基于SiC 功率MOSFET的IGCT电路模型进行参数提取,仿真结果表明采用SiC 功率MOSFET的电路模型与普通Si MOSFET的相比,可将IGCT的关断时间缩短3vs。
该模型为IGCT及其派生器件的应用奠定了基础。
2.针对4500V/4000A IGCT的“硬驱动”要求,关断时门极电流的上升率要达到-4000A/μs以上,杂散电感必须控制在5nH。
为了控制关断回路的杂散电感,首先对关断箝位电路进行优化分析,提取了箝位电容和箝位电阻的优化值。
然后,研究关断回路的杂散电感的分布,优化电路布局抑制杂散电感,将关断回路总杂散电感从13.6nH降低到4.7nH,最终达到3.5nH,使门极电流峰值和上升率分别达到-6120A和-5720A/μs,满足4500V/4000AIGCT的驱动电路关断能力的要求。
3.根据“硬驱动”电路的指标,研究了开通、维持、关断驱动电路的工作原理,针对其各部分需要解决的关键问题,提出完整的电路原理图,基于本文所建立的IGCT硬驱动电路仿真模型进行电路仿真。
IGCT---段廷平
IGCT的发展、特点及其应用机电081段廷平 200800384121晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件,它是将GCT芯片与其门极驱动器以低电感方式集成在一起,综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点,具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点,而且成本低、成品率高,因此有着广泛的应用前景。
因此,有必要对IGCT器件进行深入的应用研究,并设计一套能够对IGCT器件进行高压大电流测试实验的设备。
本文从IGCT器件出发,介绍了IGCT器件的结构,工作原理,关键技术,IGCT与GTO、IGBT的比较,IGCT的特性参数及门极驱动电路原理。
文章从IGCT器件扩展到整个IGCT模块,对IGCT功率相单元模块进行了计算和仿真分析。
从整体上阐述了IGCT相单元模块的电路原理。
用仿真和计算分析了相单元模块中钳位保护电路对器件开通和关断过程的影响。
分析了相单元电路中杂散电感对器件关断过电压的影响,提出了减小杂散电感的方法。
阐述了反并联二极管对IGCT器件的影响,提出二极管的反向恢复特性对IGCT的关断过电压有较大影响。
在分析IGCT功率相单元模块的基础上,我们设计了一套IGCT功率相单元测试实验平台。
该平台由电源控制柜和器件测试柜组成,在设计中重点考虑了测试试验的安全性和测试功能的多样性。
对该测试实验平台的电路进行了仿真,表明了测试电路的合理性。
根据仿真和计算进行了相关器件选型和测试平台的制作。
最后在测试实验平台上进行了一些初步的IGCT相单元脉冲测试,挑选了一些测试结果,对被测波形进行分析,测试结果表明该测试实验平台的设计是有效和合理的,它能完成对IGCT功率相单元的测试,来辅助IGCT器件进一步研究,为使用IGCT器件取代现有中压变频中H桥单元的IGBT器件打下基础。
一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。
IGBT门极驱动的要求及电路设计
IGBT门极驱动的要求及电路设计IGBT门极驱动的要求及电路设计绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。
广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。
IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。
在此根据长期使用IGBT的经验并参考有关文献对IGBT的门极驱动问题做了一些总结，希望对广大IGBT应用人员有一定的帮助。
1 IGBT门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。
图1是一个典型的例子。
在+20℃情况下，实测60 A，1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge 增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。
1.2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5 V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～10 V之间)。
IGBT驱动电路原理与保护电路
IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动电路是一种用于控制和驱动IGBT器件的电路，用于将低功率信号转化为高功率信号，以实现对IGBT器件的控制。
IGBT驱动电路通常由输入电路、隔离电路、输出电路和保护电路组成。
下面将详细介绍IGBT驱动电路的原理和保护电路的作用。
IGBT驱动电路的主要工作原理是通过输入信号的变化来控制IGBT的通断，从而实现对高功率负载的控制。
IGBT驱动电路一般采用CMOS电路设计，以确保高噪声抑制和良好的电磁兼容性。
常见的IGBT驱动电路分为光耦隔离和变压器隔离两种。
光耦隔离驱动电路是将输入信号与输出信号通过光电耦合器隔离，在高功率环境下提供了良好的隔离和保护。
光电耦合器的输入端通常由输入信号发生器驱动，而输出端则连接到IGBT的控制极，实现信号的传输和控制。
光耦隔离驱动电路在功率轻载和带负载的情况下都能提供良好的电气隔离，提高了系统的可靠性和稳定性。
变压器隔离驱动电路是通过变压器来实现输入和输出信号的隔离。
输入信号通过变压器的一侧传输，然后通过变压器的另一侧连接到IGBT的控制极。
变压器隔离驱动电路具有较高的耐受电压和电流能力，并能抵御噪声和干扰的影响。
IGBT保护电路的作用：IGBT是一种高功率开关设备，在工作过程中容易受到电流过大、电压过高、温度过高等因素的影响，导致过热、短路甚至损坏。
因此，为了保护IGBT设备的正常工作和延长其使用寿命，需要在IGBT驱动电路中添加一些保护电路。
常见的IGBT保护电路包括过流保护、过压保护和过温保护。
过流保护电路通过检测IGBT芯片上的电流大小来保护器件的工作。
当电流超过预设值时，保护电路会通过切断电源或降低输入信号的方式来阻止过大电流通过IGBT。
这样可以防止IGBT芯片发生过热和失效。
过压保护电路通过监测IGBT器件上的电压来保护该器件的工作。
当电压超过正常工作范围时，保护电路会通过切断电源或降低输入信号的方式来阻止过高电压对IGBT芯片的损害。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动
三、基于ABB不对称型IGCT—5SHY35L4510的驱动电路 1. 5SHY35L4510简介
阻断参数：
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)。IDRM≦50mA
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）是在SCR问世后不久出现的全控型器件，其 电气图形如右图所示。
主要优点是：全控，容量大，工作可靠 主要缺点是：开关速度比较慢，需要门极大电流
才能实现开断，关断控制较易失败
3.电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译过来
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：
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。
压且IGCT承受这种浪涌电流的次数是有限的。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动
4.电力场效应晶体管（MOSFET） 4.电力场效应晶体管（MOSFET） 电力场效应晶体管
主要指绝缘栅型电力场效应晶体管 绝缘栅型电力场效应晶体管（Metal 绝缘栅型电力场效应晶体管 Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 （Static Induction Transistor——SIT）。 MOSFET电气图形如右图所示。 主要优点是： 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 主要缺点是：
5.绝缘栅极双极晶体管（IGBT） 5.绝缘栅极双极晶体管（IGBT） 绝缘栅极双极晶体管
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar 绝缘栅双极晶体管 Trቤተ መጻሕፍቲ ባይዱnsistor）其电气图形如右图所示。 主要优点是： 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 主要缺点是：
具体的导通过程如下： 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。
集成门极换流晶闸管原理及驱动
集成门极换流晶闸管（IGCT）———原理及驱动电气信息工程学院自动化10-02班卢靖宇541001010225集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)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。
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。
集成门极换流晶闸管（IGCT）的电气符号二、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)(Reverse blocking)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)(Reverse conducting)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。
新型电力电子器件—门极集成换向晶闸管（IGCT）
新型电力电子器件—门极集成换向晶闸管（IGCT）新型电力电子器件—门极集成换向晶闸管（IGCT）谢俊虎电力电子摘要：介绍了一种大功率集成器件—集成门极换向晶闸管IGCT(Integrated Gate Commutated Thy- rister)，它具有大电流、高电压、开关频率高、高可靠性、结构紧凑、低损耗的特点，在性能上明显优于目前广泛使用的GTO和IGBT器件。
介绍了IGCT器件的基本结构、工作原理和关键技术，并指出它必将成为大功率应用中的首选电力半导体器件。
关键词：集成门极换向晶闸管；透明发射极；缓冲层；逆导技术Abstract：This paper introduces a high-power integrated device—IGCT(Integrated Gate Commuta- ted Thyrister).It has high current,high voltage,high switching frequency and low-loss character- istics.Its performance is superior to the GTO and IGBT devices.The paper introduces the shructure features,working principle of IGCT,and key technology.It points out that IGCT will become the prior option for high power application.Key words:IGCT; Transparent emitter; Buffer layer; Reverse conduction1前言电力半导体器件是现代电力电子技术的核心之一，它的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围。
目前，广泛使用的电力半导体器件是SCR 、GTO ，IGBT等，这些实用的功率器件在使用方面都存在一定的缺陷。
IGBT驱动电路解说
1．IGBT驱动电路的要求驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，图1为典型的PWM信号控制图腾柱电路以驱动IGBT开通与关断。
对IGBT驱动电路的基本要求如下：图1 IGBT典型驱动电路○1触发脉冲要有足够快的上升速度和下降速度，即脉冲沿前后要陡峭；○2栅极串联电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，Rg过大，器件开关速度降低，开关损耗增大。
)要恰当，增大删射正偏压对减小开通损耗与导通损耗○3栅极-射极电压(VGE有利，但也会使IGBT承受短路时间变短，续流二极管反向恢复电压增大。
因此正偏压要适当，通常为+15V。
为了保证在C-E间遇到噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5~10）V。
○4当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许的时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
下面从以上四个方面分析三种驱动模块电路（驱动电路EXB841/840、SD315A集成驱动模块、M57959L/M57962L厚膜驱动电路）的特性。
2.驱动电路EXB841/8402.1．EXB841驱动芯片的内部特性及其原理EXB841驱动芯片是可作为600V400A或者1200V300A以下的IGBT驱动电路，具有单电源、正负偏压、过流检测及保护、软关断等特性。
驱动模块导通与关断时间都在1.5µs以内。
最大允许的开关频率为40KHz。
EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚 2 ：电源（＋ 20V ）；脚 3 ：驱动输出；脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚 5 ：过流保护输出；脚 6 ：集电极电压监视；脚 7 、 8 ：不接；脚 9 ：电源地；脚 10 、 11 ：不接；脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，＋）；图2驱动电路EXB841/840EXB841 由放大部分、过流保护部分和 5V 电压基准部分组成。
(完整版)IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究
IGCT 电路模型与驱动电路重点技术的研究集成门极换流晶闸管 (IGCT) 是一种新式大功率半导体器件, 它是将门极换流晶闸管 (GCT)和门极驱动器以低电感方式经过印制电路板(PCB)集成在一同 , 拥有很好的应用远景。
GCT的开通和关断需要借助集成门极“硬驱动”电路达成 , 驱动电路的好坏直接影响到器件的优秀特征可否实现 , 所以一定严格控制电路中的杂散电感。
而且 , 在驱动电路和应用系统的设计时缺乏 IGCT的电路仿真模型。
本文针对以上问题 , 对4500V/4000AIGCT电路模型和驱动电路的重点技术进行研究和商讨 , 主要内容有以下几个方面 :1. 研究 IGCT的开关原理和内部换流机理 , 成立IGCT的“硬驱动” 电路仿真模型 (M-2T-3R-C), 该模型能够较正确地表征 IGCT开关特征和内部换流机理 , 在电路仿真时能够代替 GCT器件。
对重点模型参数进行剖析与提取 , 考证该模型的正确性。
在此基础上成立了双芯 GCT(Dual-GCT)的电路仿真模型 , 将仿真波形与同条件下的实验波形对照 , 考证了该模型的正确性。
并鉴于 SiC 功率 MOSFET的 IGCT 电路模型进行参数提取 , 仿真结果表示采纳 SiC 功率 MOSFET的电路模型与一般 Si MOSFET的对比 , 可将 IGCT的关断时间缩短 3vs。
该模型为 IGCT及其派生器件的应用确立了基础。
2. 针对 4500V/4000A IGCT 的“硬驱动”要求 , 关断时门极电流的上涨率要达到 -4000A/ μs 以上 , 杂散电感一定控制在 5nH。
为了控制关断回路的杂散电感 , 第一对关断箝位电路进行优化剖析 , 提取了箝位电容和箝位电阻的优化值。
而后 , 研究关断回路的杂散电感的散布 , 优化电路布局克制杂散电感 , 将关断回路总杂散电感从 13.6nH 降低到 4.7nH,最后达到 3.5nH, 使门极电流峰值和上涨率分别达到-6120A 和-5720A/ μs, 知足 4500V/4000AIGCT的驱动电路关断能力的要求。
集成门极换流晶闸管原理及驱动
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 。
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)(Reverse conducting)
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。
G E
D
S N沟道
6.集成门极换流晶闸管（IGCT）
集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors) 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。
不对称型IGCT 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。
IGBT驱动电路参数计算详解
IGBT驱动电路参数计算详解大功率IGBT 模块在使用中驱动器至关重要，本文介绍在特定应用条件下IGBT门极驱动性能参数的计算方法，经验公式及有关CONCEPT 驱动板的选型标准，得出的一些参数值可以作为选择一款合适IGBT驱动器的基本依据。
1 门极驱动的概念IGBT存在门极-发射极电容Cge，门极-集电极电容Cgc，我们将IGBT的门极等效电容定义为Cg，门极驱动回路的等效电路如下图所示：其本质是：一个脉冲电压源向RC电路进行充放电，对于这个电压源，有2个物理量我们需要关心，1.它的功率；2.它的峰值电流。
2 驱动功率的计算驱动器是用来控制功率器件的导通和关断。
为了实现此功能，驱动器对功率器件的门极进行充电以达到门极开通电压VGE_on，或者是对门极进行放电至门极关断电压VGE_off。
门极电压的两种电平间的转换过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。
这个参数我们称为驱动功率PDRV。
驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择。
驱动功率可以从门极电荷量QGate，开关频率fIN，以及驱动器实际输出电压摆幅ΔVGate 计算得出：P DRV = Q Gate * f IN * ΔV Gate (Eq. 1)备注：P DRV: 驱动器每通道输出功率；f IN: IGBT开关频率；Q Gate :IGBT门极电荷，可从规格书第一页查出，不同IGBT该数值不同；ΔV Gate:门极驱动电压摆幅，等于驱动正压+U 和负压–U 之间差值。
如果门极回路放置了一个电容CGE (辅助门极电容)，那么驱动器也需要对该电容进行充放电，如图1 所示：图1.带外接阻容的门级驱动只要CGE 在一个周期内被完全的充放电，那么RGE 值并不影响所需驱动功率。
驱动功率可以从以下公式得出：P DRV = Q GATE * f IN *ΔV GATE + C GE * f IN*ΔV GATE2(Eq. 2)这个功率是每个IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。
IGBT模块的门极驱动
IGBT模块的门极驱动额定门极驱动电压：门极驱动电压在±20V范围内施加超过此范围的电压时，门极-发射极间的氧化膜（SiO2）有可能发生绝缘破坏或导致可靠性下降。
开通-门极驱动电压：开通-门极驱动电压标准为+15V。
诸如12V、10V的低门极驱动电压会造成集电极损耗增加。
6V时IGBT基本上不开通，此时集电极-发射极上施加电源电压。
施加这样的低门极电压时，有可能由于过大的损耗导致元件损坏。
关断时门极反向偏置电压（－VGE）：为避免由于噪声干扰造成的误动作，关断时请在IGBT门极施加(-5V)-(-15V)的反向偏置电压。
开通门极电压、关断时门极反向偏置电压与开关速度-噪声干扰的关系：如果提高开通门极电压+VGE，开通速度会上升，开通损耗会下降。
相反，开通时的噪声干扰会增加。
同样，如果提高关断门极电压-VGE，关断速度会上升，关断损耗会下降。
相反，关断时的浪涌电压及噪声干扰会增加。
+VGE、-VGE和下一项的RG都是影响开关速度的主要因素。
门极阻抗RG和开关特性：输入电容：Cies = Cge + CgcReverse Transfer 电容：Cres = Cgc输出电容：Coes = Cce + Cgc发射极门极反向偏置电压和门极-发射极之间的阻抗RGE：由于高dv/dt而导致位移电流流动，并且门极电位上升。
门极反向偏置电压和旁路电阻对降低冲击电流（IGBT损耗）有效为了避免有害的振荡，请注意以下事项。
●尽量让门极配线远离主电路配线，并避免使两者平行。
●交叉时，请以正交交叉。
●不要将多根门极配线捆扎在一起。
●追加共模扼流圈和铁氧体磁环也可达到一定的效果。
门极充电和驱动电流-功率：门极驱动损耗PG、最高门极驱动电流iGP的计算范例（+VGE=15V、-VGE=－15V、f=10kHz）PG=｛（+VGE）-（-VGE)｝×Qg×f＝30×690×10-9×104＝0.207 (W)假设在500ns时开通 ;iGP = Qg / ton＝690×10-9 / 500×10-9＝1.4 (A)来自深圳德意志工业的分享！。
IGBT的门极驱动电压
IGBT的门极驱动电压
IGBT是绝缘栅型双极性晶体管((Insulated Gate Bipolar Transistor)的简称。
它是一种电压控制型功率器件，需要的驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力。
在中功率以上的逆变器中逐渐取代了POWER MOSFET和POWERBJT成为功率开关器件的重要一员。
由于IGBT是电压控制型器件，开通和关断由栅极和发射极间的电压UGE决定，当在栅极和发射极加一大于开启电压UGE(rh)的正电压时，IGBT导通，当栅极施加一负偏压或者栅压低于门限电压时，IGBT 就关断。
典型的IGBT驱动原理图如图所示。
其中：
+UGE为正向开通电压；
-UGE为关断电压。
当UGE较小时，IGBT通态压降会变大，IGBT就容易发热，随着UGE增大，通态压降就降低，IGBT的通态损耗就降低。
当UGE很大时，容易造成栅极的击穿，并且还容易产生擎住效应，无法关断IGBT，损坏器件。
集成门极换向闸管(IGCT)
集成门极换向闸管(IGCT)
集成门极换向品闸管(Integrated Gate CommutatedThyristors-GCT)是一种新颖的大功率电力电子器件，最早由瑞士ABB公司开发并投人市场，使特大功率的变流装置在容量、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面取得了成功的突破。
GTO晶闸管具有耐压高、电流大、耐浪涌能力强等优点，但是其控制关断的技术难度其大、
门极回路对杂散电感特别敏感、工作可靠性低，使其难以推广。
IGCT 是将门极换向品闸管GCT(改进结构的GTO)、反并联二极管和极低电感的门极驱动器集成起来，使其在导通期间是一个与晶闸管一样的正反馈开关，因而具有通电电流大、开通损耗低和高阻断电压下通态压降低的特点;在关断阶段，它只需1ps左右的时间即可使门极电流达到最大关断电流Ico，在阳极电压上升前，阳极电流已降为零，即具有与品体管模式完全一样的稳定关断特性，工作可靠、关断损耗低。
此外，它无需吸收电路;响应快(延时时间=2~3us，存储时间降到1us)，特别有利于器件的串联应用工况;平板压接工艺提高了可靠性，工作频率范围可达几百赫到几十千赫，与IGBT的开关速度相近;不需外接续流二极管，简化装置结构;内部已集成的门极驱动电路，可保证在最低成本和最低能耗条件下达到最佳运行特性;管芯面积可达130cm (ф100mm)，硅片利用率大大高于IGBT。
综上所述，IGCT具有耐压高、电流大、开关速度高、可靠性高、损耗低、结构紧凑和成品率高等一系列优点，是一种理想的功率开关器件，它在中压调速传动、高动态轧钢传动、大功率电化学变流器和铁
路牵引、高压直流输电、有源滤波器、无功补偿装置等领域具有极好的推广应用前景。
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摘要：在目前的中电压大功率应用领域，占主导地位的功率半导体器件有晶闸管、GTO和IGBT等，这些传统的功率器件在实用方面都存在一些缺陷。
ABB半导体公司率先提出了一种新型功率半导体器件—IGCT。
它的关键思想是将改进结构的GTO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。
在性能上明显优于目前广泛使用的GTO和IGBT器件。
着重对IGCT门极驱动电路的结构和原理进行了介绍和分析。
关键词：IGCT；门极驱动电路；硬驱动
前言
在电力大功率应用领域中，对理想的功率半导体器件有如下特性要求:电流容量大、开关速度快、开关频率高、结构紧凑、阻断电压高、损耗低、可靠性高、成本低。
但在实际中，由于技术水平的局限，许多功率半导体器件如SCR、GTO、IGBT，虽有很大进展，但在实际应用方面仍存在一些缺陷。
在激烈的市场竞争下，ABB半导体公司推出了一种可以满足这些要求的新型半导体功率开关器件一集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor)简称IGCT。
它是做了重大改进的GTO，反并联了二极管以及集成门极驱动电路，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接。
1 IGCT的简单工作原理
IGCT由集成门极驱动电路和GCT组成，其导通与普通GTO一样，由于两晶体管中每一管集电极电流同时就是另一管基极电流，故形成强烈正反馈而使两者饱和导通，因而具有携带电流能力强和通态压降低的特点；关断状态下，GCT门极-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，因此，在IGCT关断以前，已从晶闸管结构转换为晶体管结构。
当门极电压反偏时，阻止阴极注入电流，全部阳极电流瞬间(1μs)强制转化为门极电流，像一个失去阴极正反馈作用的NPN晶体管，阳极电流从门极均匀流出，即瞬间从导通态转变为阻断态(而GTO在导通态和阻断态之间有一个过渡态) 。
如想去掉过渡的GTO区而关断，或者说使器件在晶体管模式下关断，就必需在P 基N 发射结外施很高的负电压，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) ，也就是在阳极PNP晶体管实现前，阴极的NPN晶体管已停止发射。
综上所述，GCT开通瞬时处于NPN 体管状态;导通时为晶闸管状态;关断瞬间处于PNP晶体管状态;截止时也为PNP晶体管状态。
2 IGCT门极驱动电路
2. 1 门极驱动单元框图
门极驱动单元方框图如图1所示。
图1 门极驱动单元方框图
2. 2 光接口
光控接口采用在工业生产中广泛使用的标准元器件，它由Agilent技术生产的HFBR系列，推荐的标准型号光纤是1mm POF(塑料光纤) ，既经济又便于使用。
对于超过15m的长距离推荐使用200μm的HCS光纤(硬包层石英光纤) 。
光接收器:Agilent HFBR22528型，光输入功率Poncs>- 21dBm(1 mm POF) ，光噪声功率Poffcs <- 40dBm，光脉冲宽度门槛tGLITCH≤400ns ，对宽度≤400ns的光信号没有响应。
光发射器：Agilent HFBR21528型；光输出功率PonsF>-19dBm；光噪声功率PoffsF<-50dBm。
2. 3 IGCT的门极硬驱动原理
2. 3. 1 硬驱动开通
开通脉冲通过图2的开通电路产生。
先闭合V1，V2，V3，在L1，L2中建立起脉冲电流，当电流达到一定幅值后，先断开V2，然后再断开V3，电感中的电流换流至门极端子，脉冲电流波形如图3所示。
图2 开通脉冲产生图
由于门极电路的电感很低，门极电流的上升极快，这样就保证IGCT在运行温度范围内可靠而均匀导通。
因此，硬驱动原理有助于IGCT开通时的可靠和稳定性。
阳极电流的di/dt也可以相应提高。
从而减小di/dt 限制电抗器的尺寸和费用。
IGCT开通之后阳极电流不会马上流通。
在电流源逆变器中二极管的关断有时会延迟电流换向进入工作中的IGCT。
开通脉冲的第二部分设计符合换向的要求。
开通脉冲产生之前先断开图4中的开关V6。
图3 开通脉冲电流波形
2. 3. 2 硬驱动关断
硬驱动关断如图4所示电路，当将V6 开通时，电容C 对门极反向放电，将IGCT关断。
由于电路的极低电感(5 到15nH 取决于IGCT 的型号)和大电容器组，IGCT对门2阴极端的电磁噪音不敏感。
与IGCT相比较，传统的GTO驱动装置大约有200 nH的电感和更小的电容器组。
图4 断态和关断电路
2. 3. 3 通态
当发出开通脉冲时建立起通态门极电流如图5所示。
通过电流反馈控制V4斩波，将门极电流控制在一定的水平上，V4 开关频率可达60kHz～70kHz。
通态门极电流参考值由环境温度控制，环境温度低，参考电流大，反之则小。
图5 通态门极驱动原理图
2. 3. 4 断态时的门极驱动
通过闭合图4中的V6，整体的阳极电流在GCT开始建立阳极电压之前从阴极换流至门极。
在此之前，通过断开图5中的V5关断通态门极电流。
因此，可以避免著名的GTO效应，例如阴极的挤流效应和关断过程的电流传导不均匀。
同时不使用关断缓冲电路就可获得稳定的和低损耗的高关断能力。
IGCT关断后，图4中的V6继续处于闭合状态，门极和阴极之间有20V反向电压，使IGCT处于可靠关断状态。
3 结语
IGCT是在传统GTO技术基础上发展起来的，具有GTO的制造成本低，成品率高的优点;又具有IGBT 的优点:关断均匀，开关速度快，通态损耗低，对散热要求不高;门极驱动功率小，不须保护性的吸收电路。
IGCT将GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身，由于IGCT在大功率电力电子应用中公认的重要性，目前已开始在世界范围内掀起了对IGCT器件技术研究的热潮。