IGCT大功率器件

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1／3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，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MPS、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，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/

d v d t、di dt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。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、di dt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d v d t及/

/

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(GTR)，它由基极(B)电流

i

b 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:①对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；

②存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区(SOA)小；③通态损耗和关断时存储时间(

t)存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，s t便长，

s

既影响开关频率，又增加关断损耗大;④承受/

di dt能力低;⑤单管电流放

d v d t及/

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/

di dt，改变感性负载时的动态负载线使在SOA内，减小动态

d v d t及/

损耗)，运用时必须加缓冲电路。目前的器件水平约为：1800V/800A，2kHz；

1400V/600A，2kHz；600V/3A，100kHz。