IGCT簡單介紹（課堂PPT）

1、1IGCTIGCT的特點及其應(yīng)用的特點及其應(yīng)用學(xué)號：0000000000姓名：0000021、導(dǎo)言、導(dǎo)言在目前的中電壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域 ,占主導(dǎo)地位的功率半導(dǎo)體器件主要有晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等,這些傳統(tǒng)的功率器件在實用方面 ,都存在一些缺陷。GTO在一個硅片上集成了數(shù)千個分離開關(guān)單元。在中電壓下，GTO呈現(xiàn)很小的通態(tài)損耗和合理的關(guān)斷損耗。然而，由于開關(guān)的不均勻，GTO需外加緩沖電路來維持工作。這些緩沖電路占用了整個設(shè)備的大部分體積，是引起設(shè)計復(fù)雜、成本高、損耗大的主要原因。3相反，IGBT開關(guān)均勻，不需要緩沖電路，但通態(tài)損耗較大，而且用于中電壓電路時

2、，必須將低壓IGBT串聯(lián)使用，這樣大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和損耗，同時還降低了系統(tǒng)的可靠性。在90年代中期，ABB科研人員通過優(yōu)化門級極驅(qū)動單元和器件外殼設(shè)計，采用集成門極等技術(shù)，大大降低了GTO驅(qū)動電路的要求，實現(xiàn)了GTO到HD-GTO的技術(shù)飛躍。但HD-GTO的通態(tài)損耗比較大，研究人員就借鑒了IGBT在向中，高電壓發(fā)展過程中所積累的各種降損耗技術(shù)，對HD-GTO4進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將它與其集成的硬驅(qū)動門控單元一起命名為IGCT，集成門極換流晶閘管。綜上所述，IGCT同時具有GTO的導(dǎo)通特性和IGBT的開關(guān)特性，特點是大電流、高電壓、開關(guān)頻率高、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊和低損耗，性能明顯優(yōu)于目前廣泛

3、使用的GTO和IGBT器件。5KIRa1100-45 IGCT63000A/6000V IGCT710KV IGCT82 2、IGCTIGCT的基本結(jié)構(gòu)及新技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及新技術(shù)IGCT主要由主開關(guān)器件GTC及其相應(yīng)的集成門極驅(qū)動單元所組成。GTC是由GTO演變而來，引入了緩沖層、陽極透明發(fā)射極和逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其核心器件GTC如圖1所示的剖面結(jié)構(gòu)。92.1 2.1 緩沖層結(jié)構(gòu)緩沖層結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的非穿通型概念是在厚的N基區(qū)上直接擴散形成陽極。非穿通PN結(jié)在阻斷情況下電場分布呈三角形，如圖2中的曲線1所示.由圖2可以看出，器件總的阻斷電壓為電場在沿硅片厚度方向上的積分。因此，在材料所承受電場強度最大值不變

4、的情況下，所需阻斷電壓越高，其硅片就越厚。這樣會導(dǎo)致器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗也相應(yīng)增大。10采用基區(qū)穿通型設(shè)計后，在 層之間引入 緩沖層并降低 區(qū)摻雜濃度。由于電場被 緩沖層阻擋，形成一個四邊形電場分布（圖2中曲線2所示），這樣采用較薄的硅片即可達到相同的阻斷電壓，從而提高了器件的效，降低了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。PNNNN11122.2 2.2 透明發(fā)射極透明發(fā)射極GTC采用了緩沖層技術(shù)，而緩沖層的高電導(dǎo)率與傳統(tǒng)GTO常用的陽極短路技術(shù)不相容，因此必須采用新的替代技術(shù)。為了實現(xiàn)低通態(tài)壓降，要求處于導(dǎo)通狀態(tài)的器件保持為晶閘管工作方式采用。IGCT采用了很薄的陽極發(fā)射區(qū)，關(guān)斷期間陽極電壓一旦建立，電

5、子便能通過發(fā)射極排出。部分金屬電極界面處復(fù)合，而不注入空穴，此時無需采用陽極短路就可限制PNP晶體管的發(fā)射效率和增益，從而大大提高了門極觸發(fā)靈敏度，縮短了關(guān)斷時間。圖3給出了導(dǎo)通態(tài)和阻斷態(tài)的等效電路。13142.3 逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)逆導(dǎo)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)有的IGCT主要用于電壓源逆變器，因而在主開關(guān)GCT的單片上集成了一個反并聯(lián)續(xù)流三極管，如圖1所示。 采用PNP結(jié)構(gòu)將二極管和GCT的阻斷結(jié)隔離，不管IGCT處于何種工作狀態(tài)，此結(jié)構(gòu)中總有一個PN結(jié)反偏。從而阻斷了GCT門極與二極管陽極之間的電流通路，解決了兩者之間的隔離問題。逆導(dǎo)型GCT的二極管部分經(jīng)過質(zhì)子輻照形成非均勻的復(fù)合中心分布 ，這樣便能通過控制載流子

6、的壽命分布而控制二極管的反向恢復(fù)特性；并能保證在反向電流逐漸減小到零的過程中，不會產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。152.4 2.4 門極硬驅(qū)動的集成門極硬驅(qū)動的集成 由于關(guān)斷過程中電流換向的時間很短，要求門極電路有較低的電感。因此采用新型封裝技術(shù)，將門極驅(qū)動和GCT集成到一塊印刷線路板上，從而降低線路的電感，也因此被稱為IGCT。 采用透明發(fā)射極技術(shù)之后，IGCT門極單元體積大約是GTO門極單元的一半。同時其基區(qū)尾部電流持續(xù)時間減半，從而降低了對門極功率驅(qū)動的要求，電路損耗減小。163 IGCT3 IGCT的工作原理的工作原理 導(dǎo)通狀態(tài)下的IGCT是一個象GTO一樣的正反饋晶閘管開關(guān)，其特點是通過電流能力強和

7、通態(tài)壓降低。關(guān)斷時的IGCT門極和陰極反向偏置，能快速有效地退出工作，器件呈晶體管工作方式。該器件在這兩種狀態(tài)下的等效電路由圖3給出其中 、 、 分別為陽極、門極和陰極電流。由于IGCT關(guān)斷發(fā)生在變成晶體管之后，所以無須外加dv/dt限制，并且可象MOSFET或者IGBT那樣工作而無須吸收電路。AIGIKI174 IGCT4 IGCT的性能特點的性能特點l開關(guān)損耗低 開關(guān)損耗低的一個優(yōu)點就是可以任意選擇開關(guān)頻率,以滿足最后應(yīng)用的需要。以前功率設(shè)備在額定電流下只能工作在250Hz以內(nèi)，而IGCT的工作頻率可以達到這個速度的4倍。例如，在電機傳動系統(tǒng)中，如選取更快的開關(guān)速度，將可以提高系統(tǒng)的效率。

8、另一方面，如對IGCT選用較低的開關(guān)速度，逆變器系統(tǒng)的效率將有所提高，同時損耗更低。18l輔助電路簡化 GCT的獨特特性在于其無需緩沖電路也可以工作，這對設(shè)計來說是非常有利的。無緩沖電路的逆變器損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、所用的元件更少、可靠性更好。GCT結(jié)構(gòu)中集成了續(xù)流二極管，使得以IGCT為基礎(chǔ)的設(shè)備得以簡化。19l門極驅(qū)動功率低 GTO采用傳統(tǒng)的陽極短路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)通態(tài)壓降和低關(guān)斷損耗，缺導(dǎo)致了門極觸發(fā)電流的增加。IGCT采用的透明陽極發(fā)射技術(shù)使觸發(fā)電流和后沿電流很小，總的通態(tài)門極電流僅為GTO的1/10，大大減小了門極觸發(fā)幾率20l存儲時間短，可靠性高 GCT器件與大規(guī)模反并聯(lián)二極管的集成不但可以減小存儲時間,而且使關(guān)斷時間的絕對值和離散性大為減小，使IGCT可以安全地應(yīng)用于中高壓串聯(lián)。如果發(fā)生過電流失效，器件燒毀使其自身關(guān)斷，而不會像IGBT那樣會對鄰近的元件造成危險，加強了整體電路的安全性。21l