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。
三、基于ABB不对称型IGCT—5SHY35L4510的驱动电路 5SHY35L4510简介 1. 5SHY35L4510简介
阻断参数： 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 直流链电压VDC-link:海平面露天环境宇宙射线情况下，100FIT失效率时，IGCT所 能长久承受的直流电压(1FIT=109小时出现1次失效)。 VDC-link=2800V 反向电压VRRM：因为器件是不对称型，所以不能承受高的反电压。通态时， VRRM=10V,断态时VRRM=17V。 通态参数： 通态参数： 最大通态平均电流IT(AV)M：正弦半波电流，壳温Tc=85℃时，IGCT所能允许 的最大平均电流。 IT(AV)M=1700A
1.晶闸管（SCR） 1.晶闸管（SCR） 晶闸管
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅整 晶闸管 流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）是典型 的半控器件，其电气图形如右图所示。 主要优点是： 主要优点是：容量大，工作可靠 主要缺点是： 主要缺点是：半控，开关速度慢，对du/dt和 di/dt比 较敏感
3.电力晶体管（GTR） 3.电力晶体管（GTR） 电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译过来 电力晶体管 为巨型晶体管)，其电气图形如右图所示。 主要优点是：全控，通态压降低，开关时间短，控 主要优点是： 制方便 主要缺点是： 主要缺点是：存在二次击穿问题，耐压难以提高， 功耗大
可穿透发射区 也称透明阳极，透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有 关。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。 IGCT在GTO结构的基础上，去掉阳极短路点，并利用了可穿透发射区技 术。其发射效率和电流密度密切相关。在低电流密度下，其发射效率很高。 但在大电流密度下，阳极的注入效率将很低。实现门极换流需要依靠这个 结构。 门极硬驱动技术 门极硬驱动技术是指在晶闸管开通和关断的过程中的极短时间内,给 其门极加以上升率和幅值都很大的驱动信号，可使被驱动晶闸管存储时间 将至us级，几乎做到同步开关，使晶闸管器件的关断能力大大超过其额定 值。系统设计者可根据应用要求在开通频率和驱动功率控制能力之间加以 选择，以达到一种合适的组合，在加速开关速率的同时降低开关损耗。 此外IGCT还采用了阴极疏条结构、阴极杂质分布、离子注入扩散工 阴极疏条结构、 阴极疏条结构 阴极杂质分布、 精密光刻工艺、疏条成型工艺、无机膜及刻蚀工艺和溅射复合材料 艺、精密光刻工艺、疏条成型工艺、无机膜及刻蚀工艺 溅射复合材料 等工艺，在此就不做详细阐述了。
C
G
E
6.集成门极换流晶闸管（IGCT） 6.集成门极换流晶闸管（IGCT） 集成门极换流晶闸管
集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors) 集成门极换流晶闸管 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： 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： 和 的比较： 的比较 比较的器件及容量为:IGCT----4500V/3000A，GTG---4500V/3000A， IGBT----3300V/1200A。
最大不重复浪涌电流峰值ITSM：此值大小与浪涌电流的持续时间有关。持续时间 tp=10ms时， ITSM =32kA；tp=30ms时， ITSM =21kA。此值是在结温 Tj=125℃情 况下测取的。浪涌电流后的结温为350℃。在浪涌电流过 后，IGCT不能马上承受电压，要经过一定的时间恢复后，才能承受电 压且IGCT承受这种浪涌电流的次数是有限的。 通态压降VT:规定通态电流下IT=4000A测得的IGCT通态管压降。VT=2.35~2.7V 门槛电压VTO和斜率电阻rT的确定方法如下图所示。
最后N基区及其它区域内剩余的存储电荷无法通过门 极电流抽取，只能通过复合而逐渐消失。透明发射极使得 基区中的电子是可以透过透明阳极达到金属接触面处复合， 为载流子的快速流出提供了通道，缩短了关断时间。因此 在IGCT关断过程的末期，阳极电流总是拖着尾巴，相应 的时间称为拖尾时间。它主要取决于器件的制造工艺，受 驱动参数的影响大。 IGCT关断后，门极维持负偏置，以保证IGCT的可靠 截止。
不对称型IGCT
反向导通型(逆导型)IGCT
2.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。 缓冲层技术 通常在器件设计中，如果需要高的阻断电压值，就得要求硅片的 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 。
IGCT 驱动中最具特点的是其借助集成门极电路实现的“门极换 流”和“硬驱动”关断过程。
IGCT的导通过程： 的导通过程： 的导通过程
门极施以正强电压后：
I g ↑→ I c 2 ↑→ I A ↑→ I c1 ↑→ I c 2 ↑
开通时门极施以正强电压初瞬，GCT处 于NNP晶体管状态，这时晶体管作用大于晶 闸管作用。转入导通后，GCT仍可用两正反 馈的晶体管等效，强烈的正反馈使两晶体管 都饱和导通。 α1 + α 2 ≥ 1 时，IGCT完成了 导通过程。
The high power semiconductor device with integrated gate unit combining the best of two worlds by conducting like a thyristor and switching like a transistor.
IGCT的关断过程： 的关断过程： 的关断过程
我们知道GTO有’通’和’断’两个稳定工作状态，但在它们之 间(开断过程)，则是不稳定状态。IGCT采用一种新的低电感驱动电路， 在门极(-20V)偏置状态下，通过应驱动电路可获得4000A/us电流变化率。 它使得在大约1us时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流不通 过阴极，而从门极流出。晶闸管的PNPN四层结构暂时变为PNP晶体管 三层结构，有了稳定的中间状态。在IGCT的关断过程中，IGCT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。而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，即“GTO区”，所以需要很大的吸收电路来抑制电压变化率。
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 二、IGCT的结构和工作原理 三、基于ABB不对称型IGCT—— 5SHY35L4510的驱动电路 四、IGCT的应用简介及发展趋势
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。
2.门极可关断晶闸管（GTO） 2.门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — 门极可关断晶闸管 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： 主要优点是：全控，容量大，工作可靠 主要缺点是： 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.IGCT 3.IGCT 的工作原理
IGCT 常采用下图所示的双晶体管模型进行等效分析。在阳极正向偏 置条件下，IGCT 的阳极电流 I A 可由下式给出：
α n I G + I CBO1 + I CBO 2 IA = 1 − (α p + α n )
式中：
I CBO1 , I CBO 2 ——Q1、Q2 集电极-基极反向漏电流； α p ,α n ——Q1、Q2 共基极电流放大倍数。
二、IGCT的结构和工作原理
1.IGCT 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 不对称型(Asymmetric) 不对称型 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 (2)反向阻断型(逆阻型)(Reverse blocking) 反向阻断型(逆阻型 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 反向导通型(逆导型 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。