igct

1、IGCT 最初四年的發(fā)展 最初四年的發(fā)展 Eric Carroll,ABB Semiconductors AG, Lenzburg,Switcerland 【摘要】1996 年問世的集成門極換向晶閘管在多個(gè)方面打破了新功率半導(dǎo)體器件的傳統(tǒng),舉例來說，GTO 器件， 在 1979 年的 1200V/600A 開始， 發(fā)展到現(xiàn)有的 6KV/6KA 的水平經(jīng)歷了 15 年。 類似的， IGBT器件在 1981 年以 6A/600V 開始，

2、到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到額定值達(dá)到 4.5KV/2000A。 這兩種器件都是從牽引應(yīng)用開始，隨著成本的下降和額定功率的上升，逐步擴(kuò)展到工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，最后進(jìn)入電力傳輸領(lǐng)域。比較而言，IGCT 恰恰倒轉(zhuǎn)了這種趨勢，它首先以 4KA/4.5KV 額定值應(yīng)用于電力傳輸領(lǐng)域，然后向下擴(kuò)展到 300A 額定值，應(yīng)用于中等電壓驅(qū)動(dòng)范圍，最后在 21 世紀(jì)進(jìn)入牽引市場。以下這些內(nèi)容將回顧IGCT 的工作方式、主要特點(diǎn)和應(yīng)用，以及展望它的未來。 主要工作方式

3、 關(guān) 斷 IGCT 在橫向上大量吸收了 GTO 的技術(shù)，并且在其陽極(縱向)結(jié)構(gòu)上吸收了一些 IGBT 技術(shù)。但是它的工作機(jī)理與兩者都有區(qū)別，我們首先來談一談 GTO 的工作機(jī)理，以了解它們之間有什么不同。 圖 1 顯示了 GTO 的關(guān)斷波形，GTO 是一種可以被反向門極電流關(guān)斷的晶閘管。 pnp-npn 三極管對的增益是變化的，以便一旦陰極電流下降到一定程度，GTO 導(dǎo)通的條件即anpn+apnp=1 不滿足時(shí)，晶閘管即被

4、關(guān)斷并斷開。當(dāng)然，在斷開的同時(shí)，器件上電壓將會(huì)快速失控的增大，帶來 dv/dt 將會(huì)趨于重新開通晶閘管。因此，GTO 一般都要使用 dv/dt 限制,通過大量的并聯(lián)吸收電容，將 dv/dt 的平均值限制在 500～1000V/μs。 圖 1 顯示了三個(gè)區(qū)域， 在晶閘管區(qū)， 管子穩(wěn)定地導(dǎo)通， 中間區(qū)域是不穩(wěn)定的 GTO 區(qū)， 在三極管區(qū)，管子穩(wěn)定地?cái)嚅_。這張圖精確地暴露出了 GTO 的缺陷，即在“GTO 區(qū)域”中，元件既不是三極管也不是晶

5、閘管。在此我們可以看到，在這個(gè)短暫的區(qū)間內(nèi)，元件承受了正向的陽極-陰極電流和正向的陽極-陰極電壓，不幸的是，這種情況往往會(huì)重新觸發(fā)元件，這就要求電流或電壓必須最小。實(shí)際上，GTO通過延遲電壓的上升來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，通過并聯(lián)的吸收電容影響電流下降來達(dá)到這一點(diǎn)。 圖 1 同時(shí)也表明了增加門極的反向電流變化值，可以縮短這一影響元件特性的區(qū)域，但是并不能完全去除掉，圖 2 中顯示，較高的但是有限度的門極電流變化值可以使得在陽極電壓上升之前陰極電流降為

6、 0。這是因?yàn)閷?shí)際上正向電壓加在陽極 pnp 三極管上，加圖 1 右上升所示。這是一只高壓大電流的三極管，n 基區(qū)很厚有大量的儲(chǔ)存電荷，這就需要陽極電流有一定時(shí)間(1-2 微秒)去除這些電荷。如對 di/dt 的限制源于對動(dòng)態(tài)開關(guān)電通時(shí)，雙極型的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)的限制，現(xiàn)有的二極管技術(shù)與 IGCT 和 IGBT 一樣，最大允許的 di/dt 值是給定的，并且其控制工具(方法)僅限于 IGBT，其它類似晶閘管結(jié)構(gòu)的(如 IGCT)只能

7、采用外部限制的方法(如電感)， 圖 6 顯示了圖 5a 和 5b 兩種電路的典型開通波形，圖 6 中， di/dt｜on是允許額定值下的電流作用于續(xù)流二極管上(FWD)。Iload是額定的負(fù)載電流，因此 t2-t0(等于 ton)是直流電壓的 dc-link 作用在 IGBT(門極控制，圖 5b)或作用在電感上(圖 5a)的時(shí)間。因?yàn)?FWD 的恢復(fù)時(shí)間是有限的(因?yàn)?di/dt 的限制)，負(fù)載直到 t2時(shí)實(shí)際上是短路的。因此，電路精確

8、的開通損耗(即 FWD 的損耗)如下式所式： Eon-circuit=(t2-t0)· Vdc· (Icoad+Irr)/2 (1) 器件上的損耗為： Eon-device≈Lload·Vswitch(t).dt (2) 這兩個(gè)公式運(yùn)用于無 di/dt 吸收的 IGBT 和有 di/dt 吸收的 IGCT。 (1)可以改寫為： Eon-circuit=ton· Vdc· I