IGCT大功率器件
igct运用与作用
igct运用与作用IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）是一种新型的功率半导体器件，它结合了普通晶闸管和IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的优点，具有低开通电压、高阻断电压、高速度、低损耗、高温度工作能力等优点。
IGCT 的应用范围广泛，下面将从以下几个方面介绍IGCT的运用与作用。
一、电力电子领域IGCT在电力电子领域中的应用非常广泛，主要用于高压大功率变流器、柔性交流输电（FACTS）设备、电力质量控制器、高速列车牵引、风力发电系统等方面。
IGCT的高速度和低损耗使得它能够在高频率下进行开关，从而实现高效率的能量转换。
二、工业自动化领域IGCT在工业自动化领域中的应用主要是用于驱动电机，如电动汽车、电动机车、轨道交通、起重机、压缩机、泵等。
IGCT的高速度和低损耗使得它能够在高频率下进行开关，从而实现高效率的能量转换。
三、航空航天领域IGCT在航空航天领域中的应用主要是用于飞机和卫星的电力系统，如电力转换器、电力分配器、电力控制器等。
IGCT的高温度工作能力使得它能够在极端的环境下进行工作，从而保证了电力系统的可靠性和稳定性。
四、医疗器械领域IGCT在医疗器械领域中的应用主要是用于高压大功率的X射线发生器、CT扫描仪、核磁共振成像仪等。
IGCT的高阻断电压和低损耗使得它能够在高压大功率的应用中进行工作，从而实现高效率的能量转换。
总之，IGCT作为一种新型的功率半导体器件，具有广泛的应用前景和市场需求。
它在电力电子、工业自动化、航空航天、医疗器械等领域中的应用越来越广泛，将会在未来的发展中起到越来越重要的作用。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动课件
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。
05
IGCT的发展趋势与展望
IGCT的技术发展趋势
01
02
03
更高频率
随着电力电子技术的进步， IGCT有望在更高频率下工 作，提高转换效率。
更高电压
通过改进材料和结构设计， 实现更高工作电压的IGCT， 以适应高压大功率应用。
集成化与模块化
将多个IGCT集成在一起， 形成模块化结构，简化电 路设计，提高可靠性。
IGCT的优点
01
02
03
04
高可靠性
由于采用了集成门极驱动器， 减少了外部元件数量，提高了
系统的可靠性。
高开关速度
IGCT具有快速的开通和关断 速度，能够实现高频率的开关
操作。
低损耗
由于其低导通损耗和低开关损 耗，使得IGCT在高压大电流 的应用场景下具有显著的优势。
低驱动电流
较小的驱动电流使得IGCT的 驱动电路更为简单，降低了成
IGCT的基本结构
IGCT由一个硅芯片和相应的铜电极构成，包括阴 极、阳极和门极。
阴极连接至外部电源，阳极作为输出端，门极则 用于控制电流的通断。
IGCT的硅芯片上集成了门极驱动电路，使得其具 有较高的集成度和可靠性。
IGCT的工作原理及过程
IGCT简单介绍
02
随着新能源、智能电网等领域的快速发展，IGCT的应用领域将
进一步拓展。
智能化和集成化
03
未来IGCT将更加注重智能化和集成化的发展，实现与其他电力
电子器件和控制系统的无缝集成。
06
IGCT市场前景与挑战
市场规模及增长趋势分析
市场规模
IGCT（集成门极换流晶闸管）市场目前处于快速增长阶段，预计未来几年市场规模将持续扩大。随着电力电子技 术的发展和新能源市场的崛起，IGCT作为一种先进的功率半导体器件，在电力转换、电机驱动等领域具有广泛的 应用前景。
提升自身竞争力。
主要厂商概述
ABB、三菱电机、西门子等国际知名半导体厂商在IGCT领域具有较高的市场份额和品 牌影响力。这些厂商在技术研发、产品创新、市场拓展等方面投入大量资源，不断推动 IGCT技术的进步和应用领域的拓展。同时，国内的一些优秀半导体企业也在积极布局
IGCT市场，通过自主研发和技术创新不断提升自身实力。
04
IGCT性能评估与测试方 法
性能评估指标体系建立
静态特性评估
包括断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态平均电 流等参数，用于评估IGCT在静态条件下的耐压和耐流能力 。
动态特性评估
包括开通时间、关断时间、开通延迟时间、关断延迟时间 等参数，用于评估IGCT在动态条件下的响应速度和开关性 能。
大电流
IGCT具有较大的电 流容量，能够满足大 功率转换的需求。
低损耗
IGCT在导通和关断 过程中损耗较小，提 高了电能转换效率。
快速开关
IGCT具有快速的开 关速度，能够实现高 频率的电能转换。
应用领域及优势
电力系统
IGCT可用于高压直流输电、柔性交 流输电等领域，提高电力系统的稳定 性和效率。
IGCT在极低频大功率发射机中的应用
１ 引 言
２ Ｏ世纪五 、 六 十年代 ， 美、 苏等 国 的科 学家就 开始 了极
低频 （ Ｏ ． １ ￣３ ０ Ｈｚ ） 电磁技 术研 究 ， 主 要用 于陆 地指 挥 中心 与深水潜艇 之间的通信 ， 随着科技 的进步和更深 入的研究 ， 现在很多 国家 已经将此项技术应用到地球物 理和地震 预测
总第 ２ ３ ０期
２ ０ １ ３年 第 ８ 期
舰 船 电 子 工 程
Ｓ ｈ ｉ ｐ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖｏ １ ． ３ ３ Ｎｏ ． ８
９ ｌ
Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ在 极 低 频 大 功 率 发 射 机 中的应 用
测和地震预报等方 面的探 索性研 究 和工程 试验 研究 ， 为 相 关领域的前沿科技研究 提供新 的技术手段和开放 性的公共 服务平台 ］ 。 在 ＷＥＭ 项 目中， 极低 频大 功率发 射机 是整 个发 射 台 源自２ 发射机功放原理 一
般的， 固态大功率发射机功 率放 大器 的基本 原理是 ：
胡金喜 查 明 潘 锐 刘 庆
４ ３ ０ ０ ７ ９ ） （ 中国船舶 重工集 团公 司第七 二二研究所 摘 要 武汉
论文介绍了极低频 探地工程（ Ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ， ＷＥ Ｍ） 项 目固态发射机功放 电路 ， 根据 电路原理和要求选用新型电力
ＨＵ Ｊ ｉ ｎ ｘ ｉ Ｚ ＨＡ Ｍｉ ｎ ｇ Ｐ ＡＮ Ｒ ｕ ｉ Ｌ Ｉ Ｕ Ｏｉ ｎ ｇ
（ Ｎｏ ．７ ２ ２ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ ＣＳＩ Ｃ，Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ９ ）
新型高压大功率器件IGCT的建模与仿真
［ 章 编 号 ］１ ０ — ４ ８ （０ ０ ０ —０ ９０ 文 ０ ３ ６ ４ ２ １ ） １０ ８ —６
新 型高压大 功率 器件 Ｉ Ｔ 的建模 与仿 真 ＧＣ
于克 训 ，任 章 鳌 ，娄 振 袖 ，潘 垣
（ 中科 技 大 学 电 气 与 电子 工 程 学 院 ，湖 北 武 汉 ４０ ７ ） 华 ３ ０ ４
Ｐ’ｌ Ｎ ｌ Ｐ’Ｊ Ｎ Ｉ Ｐ’
。
Ｐ
、
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｐ
Ｐ
图 １ ＧＴＯ 和 Ｇ Ｔ 的 结 构 示 意 图 Ｃ
Ａ ＴＯ
厂
Ｍ ｏ Ｓ ＥＴ Ｆ
压 和 电 流 的物 理 描 述 表 达 式 ， 过 仿 真 结 果 和 与 通
Ｉ Ｔ器件 本 身 产 品特 性 比较 ， 述 几 种 方 法 都 具 ＧＣ 上
Ｉ Ｔ是集 成 门极 驱 动 电路 和 门极换 流 晶 闸管 ＧＣ
（ Ｔ） ＧＣ 的总称 ． 中 ＧＣ 其 Ｔ是 以 ＧＴＯ 为基 础 的器 件
（ １ ．ＧＣ 实 际上 是关 断增 益 为 １的 ＧＴＯ， 是 图 ）Ｉ Ｔ 又
大功 率场 合 口 ］ ．目前 Ｉ Ｔ 的单 管 容 量 已 达 到 １ ＧＣ Ｏ
第２ ５卷 第 １ 期
ＶＯＩ ５ ．２ ＮＯ ．１
湖 北 工 业 大 学 学
报
２１ ０ ０年 ２月
Ｆ ｂ． ｅ ２０１ ０
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ｉ ｉｅ ｓｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ａ ｆＨｕ ｅ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｙ
把 ＭｏＳ Ｅ Ｆ Ｔ管 从 器件 内部 拿 到外 面来 的 ＭＣ 管． Ｔ
ＩＣ Ｇ Ｔ在 其 阴极 串联 ２ ５只 Ｎ 沟道 ＭＯＳ Ｅ 管 ， Ｆ Ｔ 在
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。
IGCT在大功率电压源逆变器中的应用
ｔｏ ｅｅ ｉ ｅｔ ｄＮ Ｃｔ ｅ —ｌ ｅ ｉ ｅｅ ｐ ｙ ｇｉｃ ｅ ｙｎ １ ｅ ｈ Ⅺ ０８ ｈ ｃ ｒ ｅｄ ｔ ｂ ｐ ｅ ｔｄ ｗ —ｌ ｌｎ ｒｒ ｎ Ｐ ｈ ｅ ｅ ｌｎ ｒｒ ｍ ｌ ｉ ｃ ｒａ ５ ｅ ． ｈ ｎｔ ｖ ｖ ｅａ ｒ ｖ ｖｔ ｅ ｏｎ ， ｌ ｅ ３ｎ ｗ ｙｉｃ ｎｅｓ ｏ ｅａ ｌｄｏ ｓ ｅ ， ｐｉ ｕｉ
ＩＣ Ｇ Ｔ在 大 功 率 电压 源逆 变 器 中的应用
何清亚 刘 文辉 ，
（． １ 湖南华 菱涟 钢集 团有 限公 司 ， 湖南 娄底
摘
４７ ０ ； ． 沙理工 大学 ， １０ ９ ２ 长 湖南 长 沙
４００ ） １０ ０
要 ： 绍 了 Ｉｃ 介 ｃ ｒ的性 能特 点 及 使 用 中应 注意 的 事 项 ， 出了 ｉｃ 在 两 电平 逆 变器 及 中点 箝 住 三 电平 逆 变 器应 用 ， 给 ｃｒ ，
ｔ ｇ ｅ Ｐ ｈ ｅ ｒ ｇ ｒｉ Ｎ Ｃ ｔｒ ｅ—ｌｖ ｌｉｖ ｒ ｒａｅ ａ￣ ｙｅ ．Ｆｎ ｌ ，ｔｅ ａ ｐｉａ ｏ ｉ ａ ｏ ｆＩ Ｔ ｉ ｋ ｉｈ— ｖ ｌ ｇ ｎ ｅ ｅ ｓｉ ｔ － ｉ ｎ ｅ ｅ ｎ ｅ ｅ ｒ ， ｚ ｔ ｄ ｉａｌ ｈ ｐ ｌ ｆ ｎ ｓ ｕ ｔ ｎ ｏ ｙ ｅｉ ｔ ｉ ＧＣ ６ Ｖ ｈｓ ｎ ｏｔ ｅ ｉｖ ｒ ｒ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｏ ｄ ｃｄ． ｕｅ
结 合 了晶 闸管 的低 通 态损 耗 和 晶 体管 均 匀 的 关断 能
力两种优点 ， 具有开关频率高、 损耗小 、 无需关断吸收 电路 、 串联 容易 实现 等优 点 ， 已逐 步 取代 Ｇ Ｏ广 泛 立 Ｔ
用 于 中等 电压大 容量 变流 器 薄 的硅 片即可 达到 相 同的阻 断 电压 ， 从而提 高 了器 件 的效 率 ， 降低 了通 态 损 耗 和 开 关 损耗 。在 ４５ｋ ． Ｖ的 Ｇ Ｔ中 ， 冲层 的使 用 使 得 芯 Ｃ 缓 片的厚 度 比同样 耐压 等级 的 Ｇ Ｏ芯 片 厚 度减 小 了约 Ｔ
IGCT简单介绍
2.4 门极硬驱动的集成
由于关断过程中电流换向的时间很短，要求门极电 路有较低的电感。因此采用新型封装技术，将门极驱动 和GCT集成到一块印刷线路板上，从而降低线路的电感， 也因此被称为IGCT。 采用透明发射极技术之后，IGCT门极单元体积大约是 GTO门极单元的一半。同时其基区尾部电流持续时间减 半，从而降低了对门极功率驱动的要求，电路损耗减小。
IGCT的性能特点 4 IGCT的性能特点
开关损耗低 开关损耗低的一个优点就是可以任意选择开关频率, 以满足最后应用的需要。以前功率设备在额定电流下只 能工作在250Hz以内，而IGCT的工作频率可以达到这个速 度的4倍。例如，在电机传动系统中，如选取更快的开关 速度，将可以提高系统的效率。另一方面，如对IGCT选 用较低的开关速度，逆变器系统的效率将有所提高，同 时损耗更低。
相反，IGBT开关均匀，不需要缓冲电路，但通态损耗较 大，而且用于中电压电路时，必须将低压IGBT串联使 用，这样大大增加了系统的复杂性和损耗，同时还降低 了系统的可靠性。 在90年代中期，ABB科研人员通过优化门级极驱动单元和 器件外壳设计，采用集成门极等技术，大大降低了GTO驱 动电路的要求，实现了GTO到HD-GTO的技术飞跃。但HDGTO的通态损耗比较大，研究人员就借鉴了IGBT在向中， 高电压发展过程中所积累的各种降损耗技术，对HD-GTO
存储时间短，可靠性高 GCT器件与大规模反并联二极管的集成不但可以减小 存储时间,而且使关断时间的绝对值和离散性大为减小， 使IGCT可以安全地应用于中高压串联。如果发生过电流 失效，器件烧毁使其自身关断，而不会像IGBT那样会对 邻近的元件造成危险，加强了整体电路的安全性。
器件成本低 利用IGCT技术可以使功率控制装置成本降低30%以上。 GCT可采用现有GTO的生产工艺，GCT这样的成本与GTO晶 闸管的相当。GCT的模拟设计较简便、成本更低，能加速 系统的发展。同时，IGCT的高集成化使得功率元件可减 少50%，并且减少了走线和互连。
IGCT和IEGT_适用于STATCOM的新型大功率开关器件
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
68 GTO 的门极电流驱动方式消耗更小的功率。 从图 2 还可看到 IGB T 和 IEGT 各层中载流子
所采用的技术是在如下发现的基础上逐步实现突破 的[ 1 ]: 当采用硬驱动技术对 GTO 实行驱动时, GTO 性能得到了很大提高。 而硬驱动是指采用电路板代 替传统的同轴门极驱动连线并采用新的 GTO 芯片 安装技术, 从而使传统的门极连线及 GTO 内部门 极连线电感从 230 nH 左右减小到约 315 nH 。 图 1 给出了 GTO 和 IGCT 的基本结构。 IGCT 所采用的新技术主要有: a 1 缓冲层技术。在硬驱动下, GTO 在关断时其 阴极电流迅速换流到门极, 这样器件的四层结构 ( 晶 闸管) 转换为三层结构 ( 晶体管) 后, 器件会像 IGB T 一样稳定、 均匀地以晶体管方式关断, 关断时增益为 1。有了门极硬驱动, 就可以对 GTO 晶片做优化: 引 入缓冲层设计, 即在 N - 和 P + 层间引入 N + 缓冲
工作区增大到完全动态雪崩区域。 每单位硅面积下 可能的关断电流与有吸收电路的同类最好的 GTO 器件的关断电流相当。 这样的关断特性使得 IGCT 不需关断吸收电路, 且可以直接串联工作。 c1 更小的通态及关断损耗。缓冲层的采用使得 在 相 同 正 向 击 穿 电 压 下 IGCT 器 件 厚 度 减 少 了 30% , 从而大大减少了导通和开关损耗。 由于损耗特 性的改进以及现在可以在无吸收电路下工作, IGCT 可以工作在 500 H z ～ 2 kH z 的开关频率范围内。 d1 更少的外围元件及更低的装置成本。 IGCT 所独有的特性使得它不需要关断吸收电路。 IGCT 结构集成了续流二极管, 使得装置更加简化、 可靠。 此外, IGCT 的特性及其导致的元件数减少使 得 使 用 IGCT 可 以 减 少 变 流 器 装 置 成 本 30% 以上 [ 6 ]。 212 IEGT 的性能特点 由于采用了电子注入增强效应及多片压接等新 的技术和制造工艺, IEGT 具有如下性能: 与 GTO 一样具有低的导通电压降; 与 IGB T 一样具有宽的 安全工作区; 门极采用电压驱动方式; 具有更高的工 作频率和更高的可靠性。 图 3 为 IEGT 和 GTO 安全工作区域比较, 图 4 为 IEGT , GTO , IGB T 容量—频率特性对比。
(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。
IGCT技术在电网柔性互联中的应用研究
IGCT技术在电网柔性互联中的应用研究随着电力系统的不断发展和电能消费需求的增长，电网运行面临着越来越复杂的挑战。
为了满足电力系统的灵活性和可靠性需求，电网柔性互联成为了一个重要的研究领域。
在电网柔性互联中，IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）技术被广泛研究和应用，其在提高电力系统灵活性、降低能耗、增强电网稳定性等方面具有巨大潜力。
IGCT是一种具有高电压和大功率特征的功率电子器件。
相较于传统的晶闸管（Thyristor）技术，IGCT技术具有更高的性能和可靠性。
IGCT技术的研究和应用为电网柔性互联提供了新的解决方案。
首先，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提供高效能的电力转换。
IGCT器件具有更低的开关损耗和导通损耗，可以实现更高效的电能转换。
通过使用IGCT技术，电力系统在电能转换过程中可以减少能量损耗，提高能源利用率。
其次，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提供更高的电力系统灵活性。
IGCT器件具有快速响应和可控性能力，可以实现精确的电能调节和功率控制。
通过改变IGCT器件的工作状态和参数设置，电网可以在不同负荷需求下灵活调整电力输出，以适应不同的应用场景。
此外，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提升电力系统的稳定性和可靠性。
IGCT器件具有高耐压和高短路能力，可以在电力系统发生故障时快速响应，并提供稳定的电力输出。
IGCT技术还具有自我保护机制，可以有效提高电力系统的安全性。
在实际应用中，IGCT技术可以被应用于多种电力系统设备。
例如，在柔性交流输电系统中，IGCT技术可以用于高压直流变流器（HVDC）和换流站，实现远距离的电力输送和功率转换。
在电力系统的配电网络中，IGCT技术可以用于智能电网的电压和频率调节，提高电力供应的稳定性和可靠性。
然而，目前IGCT技术在电网柔性互联中的应用还面临一些挑战。
首先，IGCT 技术的成本较高，制约了其大规模应用。
IGCT技术在电力电子器件中的发展及应用前景
IGCT技术在电力电子器件中的发展及应用前景近年来，随着电力电子技术的迅速发展，多种新型器件被研发出来，以满足电力系统对高效率、高可靠性的需求。
其中，整流器等电力电子器件在能量转换和调节中扮演着重要角色。
IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）作为一种新型功率半导体器件，因其低损耗、高可控性和快速开关速度而备受关注，有望在电力电子器件领域中发挥重要作用。
IGCT技术的发展推动了电力电子器件的革新。
与传统静态功率晶体管（IGBT）相比，IGCT技术具有更低的导通损耗和更高的功率密度。
其独特的特性允许其在高电压和高功率应用中发挥稳定性和可靠性。
IGCT器件的可控性良好，能够实现快速开关和调制，同时具备耐受高温和高电流的能力。
因此，IGCT技术在电力电子器件中的应用前景众多。
首先，IGCT技术在电动汽车领域具备巨大的潜力。
电动汽车作为清洁能源的代表，在未来的交通中将发挥重要作用。
而IGCT技术的应用将带来更高的能量转换效率和更短的充电时间。
IGCT器件的快速开关速度和可控性可以帮助电动汽车实现更好的动力响应和平稳的驱动性能。
此外，IGCT技术还能提供更高的工作频率，使得电动汽车的电池充放电过程更加高效。
其次，IGCT技术可应用于电力系统中的静止补偿装置。
电力系统需要对电压进行调节，以确保供电的稳定性和可靠性。
传统的调压设备往往效率低下，并且容易受到电力质量的干扰。
而IGCT技术的应用则能有效解决这一问题。
IGCT器件具备快速响应和高可控性的特点，可以实现电力系统对电压调节的准确控制。
此外，IGCT技术还能提供较低的电流谐波和更高的功率因数，改善电力质量和系统效率。
此外，IGCT技术在再生能源领域的应用也具备广阔前景。
随着可再生能源的快速发展，电网中的稳定性和可靠性越发重要。
而IGCT技术的高效能量转换性能可以实现对再生能源的更好利用。
例如，风力发电和太阳能发电系统中的电网连接问题可以通过IGCT器件实现更好的功率控制和电压调节。
浅说大功率IGCT变换器的几个问题
ＩＧＣＴ的开关频率很低，ｌｋＨｚ以下，使ＰＷＭ整流消 除谐波能力大大降低。Ａ Ｂ Ｂ公司采用“指定谐波消 除法”产生ＰＷＭ信号（ＳＨＥＰＷＭ），它能在较低开关 频率条件下消除更多次数的潜波。ＳＨＥＰＷＭ的原理在 许多文献中都有介绍｜３】，这里不再重复，本文只讨论在有源 整流中应用此法的特点及问题。
ＳＨＥＰＷＭ是一种同步ＰＷＭ技术，即脉宽波形 与被调制的正弦波同步，从谐波分析知，只存在５、 ７、１ １、１ ３，１ ７、ｌ ９、２ ３、２ ５、…等次谐波，
基于４５００Ｖ ＩＧ ＣＴ的三电平变换器最大输出交流 线电压３３００Ｖ（直流母线电压５０００Ｖ），第５个问题介 绍ＡＢＢ公司如何在此基础上开发出６．９ｋＶ的９电平 逆变器ＡＣＳ５０００（相电压５电平）。
２三电平变换电路中的箝位电阻
在许多书和文献中介绍的三电平变换电路（一相）示 于图１，由４个开关（Ｓ１－－Ｓ４）、２个箝位二极管（Ｄ ５、 Ｄ６）、２个限制电流上升率电感（Ｌｄｌ、Ｌｄ２）及直流电容 （Ｃｌ’Ｃ ２）组成，没有箝位电阻Ｒ。，其中每个开关（Ｓ） 由一个ＩＧ ＣＴ管（ＶＴ）和一个反并续流二极管（Ｄ）组成。
Ｌ
ｌ
Ｉ飞
ｊ＾
ｌＡ
‘１
＾
咖 ▲ ｆ Ｉ ，、 ＾
１ Ｊｎ Ｈ ｉ，４ 风鱼
ｌ一 翻ｂ Ｍ Ｗ弋厂
凹Ｕ
、Ｊ Ｖ
’
．Ｊ Ｖ
Ｕ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＩＪ
，
（ｂ）短路电流波形
图２逆变器电路及短路电流波形
．．．Ｉ．Ｉ—Ｅ．．Ｆ．．．Ｃ．．．ｈ．．ｉｎ．．ａ．—．２．．０．．０．．７．．．．．。．．．．．Ｉ
·论文集
技术探讨
·若整流单元
通。
变换器开关频率（Ｈｚ）
经典：IGCT简单介绍
辅助电路简化 GCT的独特特性在于其无需缓冲电路也可以工作，这
对设计来说是非常有利的。无缓冲电路的逆变器损耗低、 结构紧凑、所用的元件更少、可靠性更好。GCT结构中集 成了续流二极管，使得以IGCT为基础的设备得以简化。
18
门极驱动功率低 GTO采用传统的阳极短路结构来实现通态压降和低关
IGCT的特点及其应用
学号：0000000000 姓名：00000
1
1、导言
在目前的中电压大功率应用领域 ,占主导地位的功率半 导体器件主要有晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘 栅双极型晶体管(IGBT)等,这些传统的功率器件在实用方 面 ,都存在一些缺陷。GTO在一个硅片上集成了数千个分 离开关单元。在中电压下，GTO呈现很小的通态损耗和合 理的关断损耗。然而，由于开关的不均匀，GTO需外加缓 冲电路来维持工作。这些缓冲电路占用了整个设备的大 部分体积，是引起设计复杂、成本高、损耗大的主要原 因。
和阴极电流。由于IGCT关断发生在变成晶体管之后，所 以无须外加dv/dt限制，并且可象MOSFET或者IGBT那样 工作而无须吸收电路。
16
4 IGCT的性能特点
开关损耗低 开关损耗低的一个优点就是可以任意选择开关频率,
以满足最后应用的需要。以前功率设备在额定电流下只 能工作在250Hz以内，而IGCT的工作频率可以达到这个速 度的4倍。例如，在电机传动系统中，如选取更快的开关 速度，将可以提高系统的效率。另一方面，如对IGCT选 用较低的开关速度，逆变器系统的效率将有所提高，同 时损耗更低。
20
器件成本低 利用IGCT技术可以使功率控制装置成本降低30%以上。
GCT可采用现有GTO的生产工艺，GCT这样的成本与GTO晶 闸管的相当。GCT的模拟设计较简便、成本更低，能加速 系统的发展。同时，IGCT的高集成化使得功率元件可减 少50%，并且减少了走线和互连。
IGCT及IGCT变频器
IGCT及IGCT变频器1 引言大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。
因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。
用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。
几乎与此同时，电力晶体管（GT R）迅速发展了起来。
绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。
其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。
IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。
而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。
由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。
虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。
2 IGCT集成门极换流晶闸管（IGCT）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器件。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有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，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。
IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。
目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。
1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。
igct的演变过程
igct的演变过程
IGCT（集成门极换流晶闸管）的演变过程如下：
自从1957年在美国通用公司诞生以来，晶闸管已经发展了20多年。
它们已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品，早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。
晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。
到了20世纪70年代后期，随着技术的发展，门极可关断晶闸管（GTO）开始得到快速发展。
GTO是一种全控型器件，比传统晶闸管具有更大的灵活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。
然而，由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、IGCT等器件性能不断提升，GTO逐渐被取代。
在20世纪80年代，以IGBT为代表的高速、全控型器件迅速发展。
而到了21世纪，随着技术的进一步发展，集成门极换流晶闸管（IGCT）开始出现并得到广泛应用。
IGCT是一种集成了GTO和IGBT优点的新型电力电子器件，具有更低的关断
损耗、更高的可靠性以及更长的寿命。
此外，IGCT还具有易于模块化和集成化的优点，能够更好地适应现代电力系统的需求。
以上内容仅供参考，建议查阅专业电力电子书籍获取更全面和准确的信息。
igct原理
igct原理IGCT原理解析1. 什么是IGCT？•IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），中文名为集成门控可控晶闸管，是一种用于高压和大电流应用的功率器件。
2. IGCT的结构•IGCT由晶体管和晶闸管结合而成，具有晶体管高速开关和晶闸管高电压承受能力的特点。
3. IGCT的工作原理•IGCT通过控制晶体管的开关行为，实现晶闸管的导通和截止。
IGCT的导通•当控制信号施加在IGCT上时，晶体管的基极电流会导致NPN晶体管区域的P型基区被注入电子，使得NPN结型区导通，从而导致PNP结型区的PNP晶体管导通。
IGCT的关断•控制信号断开时，晶体管的基极电流停止，NPN晶体管区域的P 型基区的电子注入停止，从而导致NPN结型区截至，PNP结型区中PNP晶体管的截至。
IGCT的开关速度•IGCT具有非常短的开关时间，其开关速度通常在纳秒级别，这使得IGCT能够适用于高速开关应用领域。
4. IGCT的特点•混合了晶体管和晶闸管的特性，具有晶闸管的电流承受能力和晶体管的高电压驱动特性。
•低导通压降，能够降低功率损耗，提高能源利用效率。
•开关速度快，可适用于高频和高速开关应用。
•集成化设计，节省了电路空间和组装成本。
5. IGCT的应用领域•可用于可控变流器、高压直流输电、电动汽车等领域。
•在电力系统领域，IGCT可用于柔性交流输电（FACTS）设备，实现电力系统的可控调节和稳定。
以上便是对IGCT原理的简单解析，其结构和工作原理使其在高压高电流应用领域具有广泛的应用前景。
在不久的将来，IGCT有望在能源领域实现更高效的能源转换和管理。
6. IGCT与其他功率器件的比较IGCT与IGBT的比较•IGCT相较于IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）具有更高的电压承受能力和更快的开关速度。
•IGCT适用于高电压高电流应用，而IGBT适用于中低电压应用。
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。
新型高压大功率器件IGCT的建模与仿真
第25卷第1期湖 北 工 业 大 学 学 报2010年2月Vol.25No.1 Journal of Hubei University of Technology Feb.2010[收稿日期]2009-12-15[作者简介]于克训(1961-),男,山东桓台人,华中科技大学教授,研究方向:新型特种电机及其控制,脉冲电源系统等.[文章编号]1003-4684(2010)01-0089-06新型高压大功率器件IGCT 的建模与仿真于克训,任章鳌,娄振袖,潘 垣(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)[摘 要]集成门极换向晶闸管(IGCT )是新型电力半导体开关,具有耐压高、电流大、开关频率高、开关损耗低等优越性能,尤其适用于高压大功率电力电子装置.目前通用电路仿真软件中还没有专门的IGCT 仿真模型,不能满足可靠的仿真性能的要求.基于电力电子器件的物理现象,建立IG CT 模型的方法有:功能模型法、电学模型法、集总电荷模型法和物理模型法等.对上述几种建模方法分别进行了仿真研究后,对比分析各模型开关动作过程和器件内部物理现象,比较它们之间的优缺点,分析出各种模型的适用范围.[关键词]集成门极换向晶闸管;电力电子装置;物理现象;建模;仿真[中图分类号]T M 46[文献标识码]:A集成门极换向晶闸管(IGCT )是ABB 公司基于绝缘栅型场效应功率管(IGBT )和门极可关断晶闸管(GT O)的成熟技术,为满足中等电压、大功率电路要求而设计的功率开关元件.IGCT 采用了4种新技术:缓冲层技术、逆导技术、透明发射极技术以及门极硬驱动技术,具有通态损耗低、开通关断损耗较小、开关时间短等优点,越来越广泛地应用于高压大功率场合[1-5].目前IGCT 的单管容量已达到10kV/4.5kA.由于国内外各类仿真软件(如SABER 、PSPICE 、M ATLAB 和PSIM )都还没有独立的IGCT 仿真模型,这给研究IGCT 模型特点和基于IGCT 的各种工作电路仿真带来很大不便.根据电力电子器件和各类仿真方法所涉及物理现象的不同[6],目前IGCT 被广泛运用的基本仿真方法有:功能型模型法[7]、电学模型法[8]、综合电荷控制模型法[9]、物理模型法[10].本文采用PSIM 软件对IGCT 建模和仿真.PSIM 是针对电力电子和电机控制而设计的仿真软件包,在该软件包中,大部分器件采用的都是理想模型,这些理想器件没有涉及到器件本身的诸多物理特性,模型简单,参数少,为采用子电路法实现功能型模型和电学模型带来了方便.另外,国外学者也对电力电子器件内部的物理现象进行分析和模拟,根据半导体暂态热效应[11]、电荷传导[12]及其漂移相关理论[13]得出等效电路模型及内部电压和电流的物理描述表达式,通过仿真结果和与IGCT 器件本身产品特性比较,上述几种方法都具有一定的适用范围.1 IGCT 的结构和工作原理1.1 IGCT 的结构IGCT 是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管(GCT)的总称.其中GCT 是以GTO 为基础的器件(图1).IGCT 实际上是关断增益为1的GTO,又是把M OSFET 管从器件内部拿到外面来的M CT 管.IGCT 在其阴极串联25只N 沟道M OSFET 管,在其门极串联7只P 沟道M OSFET 管充当ZENER 管的功能,其等效原理如图2所示[14-15]:1.2 ICGT 的工作原理IGCT 的稳态工作原理主要取决于集成门极与GCT 的工作过程.IGCT 处于稳态导通时(图3(a)),它是一个像晶闸管一样的正反馈开关,导通能力强,通态压降小;IGCT 处于关断状态时(图3(b)),GCT 门、阴极的PN 结提前进行反向偏置,并有效地将电流截止,退出工作,整个器件呈晶体管方式工作[16].图3 IG CT 导通与阻断状态下的等效电路2 物理现象首先,不同的电力电子器件所涉及的物理现象不同(表1).表1中并没有提到IGCT ,主要是因为IGCT 的诞生比较晚,相关资料还很不完善,一般认为IGCT 兼有GTO 和IGBT 两者的优点,或者从另一个角度讲,它是体外实现的MCT ,几乎涉及到了所有的基本物理现象.表1 不同电力电子开关器件的基本物理现象二极管BJT晶闸管/GT O M OSFETIGBT /M CT 电阻率调制++++++++++电荷储存++++++-++M O S 电容――――――++++电热+++++崩溃+(++很重要、+重要、0一般、-不重要、――不存在)对于电力电子开关器件所涉及的物理现象,可以用表2对各种仿真方法简单量化总结比较.表2 不同仿真方法的基本物理现象功能模型电学模型综合电荷控制模型物理模型近似求解电阻率调制+++++电荷储存+++++M OS 电容+++++电热+++++崩溃++--+3 IGCT 的建模和仿真对于一种适用于电路仿真的半导体器件模型来说,IGCT 一定是必要的计算精度、所需仿真速度以及模型参数求解难度的有效折中.笔者总结适用于电路仿真半导体器件模型的现状,分析和对比几种建模基本方法,选择所建IGCT 模型的基本方法和实现软件.测试电路均用的是ABB 公司IGCT 产品手册上给出的电路[17],IGCT 的实测仿真波如图4所示.图4 IG CT 的实测电路和关断波形3.1 功能型模型在构建IGCT 功能型模型时,可以将其门极触发简单处理成一个控制信号,不需要输入功率.因此,考察IGCT 的外部特性只需要考察IGCT 的阳极电流和关断电压.所以,IGCT 的功能型模型就是采用在PSIM 下,研究采用子电路法来实现IGCT 器件的功能型模型.此模型主要考虑4大过程:门极信号延时模拟电路;开通、关断稳态模拟电路;开通暂态模拟电路;关断暂态模拟电路.任何电力电子器件都是在驱动信号有一定延时才开始导通和关断,IGCT 也不例外.当IGCT 彻底导通的时候则认为它处于稳态,此时用理想的电压控制电压源和电压控制电流源等器件模拟它的静态特性,开通和关断过程分别用1个二阶状态方程和2个二阶状态方程来等效,选择合适的电路参数即可较为精确地模拟IGCT 开通和关断2个暂态过程.PSIM 仿真电路如图5所示.90湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期图6 功能型模型的关断仿真波形实现功能型模型的PSIM 仿真波形见图6.该模型将IGCT 每个动作过程都分成子电路来分别实现,不考虑其内部的物理过程,仿真速度快,精度高;缺点是模型结构复杂,子电路模型对器件本身依赖性很高.3.2 电学模型该电学模型为双三极管模型,图7中Q 1、Q 2和Q 3、Q 4各代表一个PN 结单元.电阻R 2、电容C 1形成信号传输延迟环节,用来描述IGCT 器件各单元层间的触发信号传输延迟;电感L 2、L 3描述各单元层间的互感作用;R 4、R 5、R 6用来为三极管的饱和导通和快速关断提供偏置电压;R 3、R 8、R 9表示IGCT 器件阴极和门极之间的连接电阻;R 7、R 10为阴极电阻;L 1、R 1为集成门极电阻和电感.图7 IG CT 电学模型将这种电学模型放在IGCT 测试电路下的PSIM 仿真波形如图8所示.图8 IG CT 关断仿真波形91第25卷第1期 于克训等 新型高压大功率器件IGCT 的建模与仿真该电学模型意义明确,结构简单,仅用电路元件来表征IGCT 的动作,仿真速度快,但是精确度不高,适合用于功率较低的场合.3.3 综合电荷控制模型IGCT 器件的结构如图9.图10为IGCT 工作的等效电路图,D 为箝位二极管,L 1和R L 是负载电感和电阻,GTO 是IGCT 的等效GCT 部分.开关K 1和电容C 1为GCT 提供正向导通信号,开关K 2和电容C 2为GCT 提供反向关断信号.K 3控制通过门极电流的开通和关断.通过控制开关K i (i =1,2,3)的开通和关断就可得到关于P 1N 1P 2晶体管和N 1P 1N 2晶体管的电荷控制模型.当i G =I K 时,P 2N 2结关断,此时图11(a)就为一个二阶状态方程L G d 2U C 2d t2+R G d U C 2d t +U C 2C 2=0,由此可建立IGCT 器件第一阶段的电荷控制方程-Q P 2S a +d Q P 2d t =-U 0L G (P 2-P 1)(e P 1t -e P 2t),或者-Q P 2S a +dQ P 2d t=U 0X L G e -D tsin X t.图11(b)所示,主电流关断进入第二阶段,得到一阶电路方程:L d i d t +Ri =U d ,其中L =L G +L 1,R =R G +R L ,联立上述2个方程即可得到第二阶段的关断电流表达式:-Q N 1S a -dQ N 1d t=-I 0(1-e -L R t).(1)式(1)是结合电力电子器件内外参数的综合电荷控制方程,描述了IGCT 整个关断过程.该电荷模型是以电容来代替PN 结,用电荷移动的状态方程描述IGCT 的动作过程,状态方程的解析解的波形就是器件动作的波形,物理意义明确,但是解析模型算法精度低.图11 主电流关断时IG CT 工作等效电路图3.4 物理模型门极换流晶闸管(GCT )的物理模型是以M etzner 和Vog ler 的GTO 模型作为GCT 模型的基础,运用数值方法求解低掺杂漂移区连续方程(扩散方程).具体的物理建模过程分为以下3个部分:1)缓冲层的建模和电场的动态性能 缓冲层的过剩电荷被认为是一种集总电荷,它由准静态公式建模.在新模型中,缓冲层和漂移区合成一个模块来避免可能出现的收敛问题.假设耗尽区内的电场函数E(x )(呈三角形状)是线性分布,则E(x )的斜率与漂移区的有效掺杂浓度N vef f 成正比.当电场E(x )从耗尽区扩展到n -区和缓冲层结时,E(x )就会从三角形变成梯形.2)雪崩效应的建模 当n -p 结附近的最高电场E 超过临界电场E crit 会导致动态雪崩影响关断过程.该IGCT 新物理模型只含简单的雪崩描述,不用加大仿真效果就能提供足够的精确度.3)迁移率的建模 半导体中载流子的传输是由电子和空穴的电流密度方程共同决定的,即j n =q 0(n L n E +D n 5n 5x )j p =q 0(n L p E -D p 5p 5x).为了获得低温下精确的仿真结果,改新的物理模型中引入M atthiesen 规则,并且采用M natsakanno v 描述的电子空穴散射(EH S)原理:1L p=1L CCS p +1L LI p .此时在漂移区内改进的电压E(x )=j tot q 0(L n +L p )p +j tot q 0L n p p -u T b -1b +11p dp dx.该新型的物理模型有了EH S 描述,产生仿真结果与测量结果相当一致,所以这迁移率新理论可以运92湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期用在GT O和IGCT的模型当中.运用该物理模型的描述可以得到改进的解析解仿真波形[10].显然,改进的物理模型比单纯的电荷模型精确度要高,考虑IGCT内部的物理过程要更准确,但是解析解的计算也要困难得多.4结论本文给出了4种IGCT建模的有效方法:功能性模型、电学模型、综合电荷模型和物理模型,主要研究仿真IGCT的动态关断特性.结果表明,IGCT 具有开关响应快、功耗低和高压高功率等特点,仿真波形和实测波形有着很好的一致性,造成的误差主要是因为实际电路的杂散电感测量的准确度和模型里面各参数与实际产品的误差.通过采用以上方法对IGCT的建模和仿真分析,对IGCT的开关动作过程和器件内部物理现象进行了深入的研究,并对各模型之间的优缺点进行了比较,得到了各种IGCT仿真模型的适用范围.[参考文献][1]Steimer P K,Gr ning H E,Wer ning er J.I GCT a newemerg ing t echnolog y for high pow er low cost inv er ters[C]//I EEE IA S A nnual M eeting,1997:1592-1599.[2]Y ongsug Suh,Steimer P.A pplicatio n o f IGCT inH ig h Pow er Rectifiers[C]//I EEE IAS A nnual M eet-ing,2008:1-8.[3]L indner S,K laka S Fr ecker M,et al.A new range ofr ev erse co nducting gate commutated thyr istor s fo r highvo ltag e medium po wer application[C]//Conf.Rec.EPE.97,1997:1117-1124.[4]Steimer Peter,Apeldoo rn O scar,Carr oll Eir c,et al.IG CT technolo gy baseline and futur e oppo rtunities[EB/O L].(2002-08-06)htt p://ieeex plo re.ieee.o rg/x pl/f reeabs_all.jsp?arnumber=971429.[5]Stillman H aro ld M.IG CT s-meg aw att pow er sw itchesfo r medium-v oltage applicatio ns[EB/OL].[2000-10-23]http://librar y.abb.co m/G LO BA L/SCOT/scot256.nsf/V erity Display/E0E6E6BF444EA C2CC1256B9D004BCF30/$File/Zh97hs.pdf.[6]Kr aus R,M attausch H J.St atus and t r ends o f po wersemico nduct or device mo dels fo r cir cuit simulatio n[J].IEEE T rans o n Pow er Electr onics,1998,13(3):452-465.[7]袁立强,赵争鸣,白华,等.用于大功率变流器的IGCT功能性模型(英文)[J].中国电机工程学报,2004,24(6):65-69.[8]段大鹏,江秀臣,孙才新.IG CT的原理性电学模型与动态特性仿真[J].高电压技术,2008,34(1):196-201.[9]张华曹,段飞.IGCT综合型电荷控制模型的建立和仿真[J].电子器件,2003,26(1):25-28.[10]K uhn H,Schrbder D.A new validated physicallybased IG CT model for cir cuit simulation of snubber lessand ser ies operatio n[J].IEEE T rans.o n IA,2002,38(6):1606-1612.[11]Schr oder S,De Doncker R W.P hysically based modelsof hig h pow er semico nducto rs including tr ansient ther-mal behav ior[J].I EEE T r ans on Po wer Electro nics,2003,18(1):231-235.[12]W ang X,Caiafa A,Hudgins J L,et al.Implementa-t ion and validatio n o f a phy sics-based circuit mo del forIGCT w ith full temperature dependencies[C].2004IEEE35th A nnual P ow er Electro nics Specialists Con-fer ence(PESC c2004):Vo l 1.A achen,G ermany,2004:597-603.[13]M etzner D,V og ler T,Schr?der D.A mo dular con-cept for the circuit simulation of bipolar pow er sem-iconducto rs[C].Pr oc.EPE Co nf.,Br ig hton,U.K.,1993.[14]H uang A Q,M otto K,Y ux in L i.Development andco mpar ison of hig h-pow er semiconductor sw itches[C].Pr oc.o f IPEM C c00,2000(1):70-78.[15]Steffen Bernet,R alph T eichmann,A dr ian Zuckerber g-er,P et er K.Steimer.Co mpa rison of high pow er IG-BT s and ha rd dr iv en G T O s for high pow er invert er s[J].IEEE T rans.on IA,1999,35(2):487-495. [16]Gutier rez M,Venkataramanan G.Sundaram A.P er-fo rmance char acter izatio n of integr ated g ate commuta-ted thyrist ors[J].IEEE T hirt y-Fo ur th IA S A nnualM eeting,1999(1):359-363.[17]A BB Semico nduct ors A G.ABB IG CT5SH Y35L4512Data Sheet[M].Switzer land:A BB,2002.93第25卷第1期于克训等新型高压大功率器件IGCT的建模与仿真94湖北工业大学学报2010年第1期A Study of Modeling and Simulation ofHigh-voltage High-power Device-IGCTYU Ke-xun,REN Zhang-ao,LOU Zhen-x iu,PAN Yuan(S chool of Electr ical and Electronic Engin.,H uaz hong Univ.of S ci.and T ech.,Wuhan430074,China)Abstract:Integr ated Gate Com mutated T hyristo r(IGCT)has been w idely applied in areas of high-voltage hig h-po w er co nverter due to its superior perform ance.H ow ever,w ith the im pr ovement of the r eliable re-quirements o f the device,and there are not independent model of IGCT available currently for v ar io us ty pes of simulation softw are.T herefo re,it is significant to study the modeling and sim ulation of IGCT. Functional model,electrical mo del,lum ped charg e model and physical model etc hav e been established based on the phy sical pheno mena o f the pow er electro nic device.In order to be clo se to the characteristics of IGCT to the gr eatest degr ee,in this paper,the abov e modeling methods have been simulated,and a com parative analy sis is m ade about simulation so ftw are PSIM and its physical phenom ena.It has been ver-i fied that the mentioned m ethods above have certain applicability.Keywords:integ rated g ate co mmutated thyristo r(igct);physical phenom ena;pow er electronic dev ice; modeling and sim ulation[责任编校:张众] (上接第71页)Design of Wireless Temperature Measurement SystemBased on Ds18B20and MSP430H UA NG Cong-sheng(I nstitute of Electr ical and Electronic and I nf ormation Eng in.,H uangshi Univ.of T ech.,H uang shi435000,China)Abstract:T his paper introduces the acquisitio n system of the w ireless temper ature,measures the tem pera-ture w ith dig ital temperature sensor DS18B20,pr ocesses data w ith ultra low pow er loss Sing le-Chip MSP430,transmits data w ith the module STE30w ith the low po wer.This system has low co st,high rel-i ability and strong practicability.Keywords:wireless data acquisitio n;temper ature;data transm ission;interface co ntrol[责任编校:张岩芳]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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ib 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。
1.5 功率MOSFET功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。
功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。
顺便强调一下，由于MOSFET管内阻与电压成比例，它在要求低压(3．3~1V)电源的电脑和通信等领域则可大显身手，目前MOSFET的导通电阻可减小至6~10m ，主要用于高频开关电源的同步电流。
1.6 绝缘栅双极晶体管(IGBT)20世纪80年代绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子器件(G T O、G T R)和多子器件(MOSFET)各自的优良特性，既有输入阻抗高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降下，电压耐量高的长处。
IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。
通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。
IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。
它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。
比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR 接近，而比功率MOSFET高。
由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V 以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。
IGBT早已做到1800V/800A，10kHz;1200V/600A，20kHz的商品化，600V/100A的硬开关工作频率可达150kHz。
高压IGBT已有3300V/1200A和4500V/900A的器件。
由于IGBT的综合优良性能，事实上已取代了GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流器件。
目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT)模块是高耐压大电流IGBT通常采用的结构，它避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用率下降.所以这种平板结构的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。
1.7集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996 年问世的一种新型半导体开关器件。
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。
IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M～3MVA，三电平逆变器1M～6MVA。
若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4.5MV A，三电平扩至9MV A，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。
目前，IGCT 已经商品化，ABB 公司制造的IGCT 产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV／4kA。
1998 年，日本三菱公司开发了直径为88mm 的6kV／4kA 的GCT 晶闸管。
2. IGCT 的结构与工作原理门极换流晶闸管GCT 的结构，GCT 内部由成千个GCT 组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。
与GTO 的重要差别是GCT 阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO 的短路阳极。
其导通机理与GTO 一样，但关断机理与GTO 完全不同。
在GCT 的关断过程中，GCT 能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP 晶体管以后再关断，所以，它无外加du／dt 限制；GTO 必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，而即"GTO 区"，所以GTO 需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du／dt。