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(wèn)世的集成門(mén)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(lái)說(shuō)，GTO 器件， 在 1979 年的 1200V/600A 開(kāi)始， 發(fā)展到現(xiàn)有的 6KV/6KA 的水平經(jīng)歷了 15 年。 類(lèi)似的， IGBT器件在 1981 年以 6A/600V 開(kāi)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(kāi)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(shì)，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(chǎng)。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(lái)。 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(yáng)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(lái)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(mén)極電流關(guān)斷的晶閘管。 pnp-npn 三極管對(duì)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(mǎn)足時(shí)，晶閘管即被

4、關(guān)斷并斷開(kāi)。當(dāng)然，在斷開(kāi)的同時(shí)，器件上電壓將會(huì)快速失控的增大，帶來(lái) dv/dt 將會(huì)趨于重新開(kāi)通晶閘管。因此，GTO 一般都要使用 dv/dt 限制,通過(guò)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_(kāi)。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(yáng)極-陰極電流和正向的陽(yáng)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(guò)延遲電壓的上升來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，通過(guò)并聯(lián)的吸收電容影響電流下降來(lái)達(dá)到這一點(diǎn)。 圖 1 同時(shí)也表明了增加門(mén)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(mén)極電流變化值可以使得在陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極電流有一定時(shí)間(1-2 微秒)去除這些電荷。如對(duì) di/dt 的限制源于對(duì)動(dòng)態(tài)開(kāi)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(lèi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(wú) di/dt 吸收的 IGBT 和有 di/dt 吸收的 IGCT。 (1)可以改寫(xiě)為： Eon-circuit=ton· Vdc· I