(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。

为了防止GCT在通态时发生误关断,深入研究了二次触发电路,并确定了二次触发脉冲的幅值和上升率。

研究了IGCT驱动的逻辑控制和监测电路,设计了4500V/4000AIGCT驱动电路。

4.设计并制作了
4500V/4000AIGCT驱动电路PCB,搭建测试电路,对主驱动电路门极电流、阳极电压和监测电路进行实验验证。

利用IGCT实验测试台,采用二次脉冲测试法对整体驱动电路进行测试,结果表明所设计的驱动电路可以实现对4500V/4000A IGCT的可靠驱动,并在体积、开通延迟时间、关断延迟时间等方面均优于ABB公司同等级IGCT产品的驱动板。