功率器件概述

功率器件概述第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日內(nèi)容介紹高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響三電平PWM電壓源變頻器原理三電平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響三電平PWM逆變控制策略大容量多電平變換器發(fā)展概述IGCT系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討功率器件概述第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述1、功率器件的發(fā)展概況功率器件的發(fā)展對(duì)大功率應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的促進(jìn)作用:器件特性的改善使其開關(guān)速度得以提高，同時(shí)降低了相關(guān)損耗，器件的開關(guān)容量也隨之提高；包含門級(jí)(或柵極、基極)驅(qū)動(dòng)在內(nèi)的模塊化趨勢在一定程度上促進(jìn)了電路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。功率器件發(fā)展史上的五次突破性發(fā)展：第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）硅普通晶閘管（SCR）的誕生:

1955年GE公司制造出世界上第一個(gè)硅整流管(SR)；

1957年GE公司制造出第一個(gè)硅普通晶閘管(SCR)。

由于具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、速度快、使用維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，特別是SCR能以微小電流控制較大的功率，因此伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件一誕生便從弱電控制領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電控制領(lǐng)域。將它用于強(qiáng)電自動(dòng)化系統(tǒng)取代汞弧整流器，為變流器的固體化、靜止化及無觸點(diǎn)化奠定了基礎(chǔ)，并獲得了巨大的節(jié)能效果。發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了快速晶閘管、光控晶閘管、非對(duì)稱晶閘管及雙向晶閘管等派生晶閘管。它經(jīng)歷了50年代的萌芽生長期、60年代的工藝技術(shù)革新和品種開發(fā)期、70年代的提高可靠性和擴(kuò)大應(yīng)用期，如今已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和成熟應(yīng)用期。

共同特點(diǎn)：換相關(guān)斷、大電流、高電壓、工作頻率在幾百Hz到一千Hz。第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）GTO、GTR和MOSFET等全控型器件的出現(xiàn)及批量生產(chǎn):

1960年GE公司的Van.Liaten和Navon描述了門極關(guān)斷PNPN開關(guān)，首次提出GTO的設(shè)想，經(jīng)美國A.K.Jonscher、Makintosh和Golde.Y在理論和控制方法進(jìn)行完善；

1962年美國T.A.Lougo用平板外延工藝研制出第一個(gè)GTO；

1973年，GE公司在GTO的設(shè)計(jì)制造工藝上有所突破。該公司的Wolley發(fā)明了采用擴(kuò)金技術(shù)以縮短關(guān)斷時(shí)間并控制關(guān)斷增益，采用放大門極和叉指狀漸開線的門-陰極結(jié)構(gòu)以提高GTO的靈敏度和關(guān)斷能力，采用放大門極二極管分流器以降低GTO關(guān)斷時(shí)的門極阻抗，此后GTO才開始批量生產(chǎn)。

20世紀(jì)60-70年代出現(xiàn)的全控型器件可簡單的實(shí)現(xiàn)電力電子設(shè)備中的變頻、逆變及斬波，特別是頻率提高后易于實(shí)現(xiàn)“最佳頻率”用電，為電力電子設(shè)備的小型化、高效化創(chuàng)造了條件。GTR和GTO雖具有高耐壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)，但均屬于電流型控制器件，基極和門極的輸入阻抗較小，需要消除積存的載流子，所以存在開關(guān)頻率仍較低（一般小于4KHz）等不足。同時(shí)，在大功率系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，要求提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，常因驅(qū)動(dòng)電路性能不好而損壞，因而限制了它們的應(yīng)用。

第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）IGBT、MCT和IGCT

等雙機(jī)理復(fù)合電力半導(dǎo)體器件的開發(fā):

電力MOSFET雖然具有電壓驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率小、速度性能好等優(yōu)點(diǎn)，但限于制造技術(shù)及材料水平，短時(shí)間難以制成高耐壓、大電流的器件。

20世紀(jì)80年代開發(fā)出了雙機(jī)理復(fù)合電力半導(dǎo)體器件IGBT,MCT,IGCT。它們發(fā)揮了GTR、GTO以及電力MOSFET的共同優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)棄其缺點(diǎn)，這類器件的柵極為MOS結(jié)構(gòu)，而輸出極為GTR、GTO或SCR結(jié)構(gòu)。 這些器件兼有構(gòu)成它的兩種器件的共同優(yōu)點(diǎn)：高耐壓、低功耗、易驅(qū)動(dòng)、高頻率。 現(xiàn)在IGBT的單管容量己超過GTR的水平，IGBT的開關(guān)頻率已可與MOSFET相媲美，并己開始在電力電子設(shè)備中取代電力MSOFET、GTO和GTR。

第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）功率集成電路（PIC）的出現(xiàn):

20世紀(jì)80年代中期，半導(dǎo)體材料學(xué)及電力半導(dǎo)體器件制造工藝技術(shù)的發(fā)展和電力電子設(shè)備的發(fā)展要求，促使第四代電力半導(dǎo)體器件——功率集成電路的出現(xiàn)；

1981年試制成功功率集成電路（PIC），它將電力半導(dǎo)體器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測電路與外部微機(jī)和CPU連接的接口電路制造在一個(gè)封裝內(nèi)，經(jīng)過10多年的發(fā)展，PIC己分為高壓PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）兩大類。

PIC實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)兩大半導(dǎo)體分支的結(jié)合，完成了“電力電子——微電子”的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力信號(hào)一體化，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)流與信息流的結(jié)合，將電力電子技術(shù)推向了一個(gè)嶄新的時(shí)代。 第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）IGCT、高壓IGBT和IEGT的出現(xiàn):

20世紀(jì)80年代中期，人們普遍看好MCT（MOS控制晶柵管），其原因在于當(dāng)時(shí)美國GE公司己有產(chǎn)品，美國的Harris公司己可批量向市場提供這類器件。

MCT是一個(gè)MOS門的PNPN晶閘管，它可以在MOS門上加一個(gè)窄脈沖控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，與其他電力半導(dǎo)體器件不同的是，MCT具有小細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而其器件具有大量并聯(lián)而匹配的單胞。它的頻率與IGBT差不多，但其低的通態(tài)壓降是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，且器件不存在二次擊穿的問題，其dv/dt與di/dt耐量可達(dá)2000V/μs與20000A/μs

以上，故應(yīng)用它可制成無緩沖電路的變流器。 為了使器件有較高的成品率，必須具有高純度、均勻性好的硅片和精細(xì)的工藝技術(shù)。但經(jīng)過10多年的發(fā)展和努力，由于它極低的成品率和昂貴的成本，使電力電子行業(yè)不得不另辟蹊徑。于是一系列的供高電壓、大電流應(yīng)用的新器件開始登上競爭的舞臺(tái)。IGCT（集成門極換向晶閘管）、高壓IGBT和IEGT（注入增強(qiáng)柵晶體管）的出現(xiàn)在某種程度上解決了MCT發(fā)展停滯不前的問題。

第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）根據(jù)開關(guān)特性不同，可分為：2、功率器件的分類半控型器件：通過門極信號(hào)只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的器件，如SCR；全控型器件：通過門極信號(hào)既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的器件，如BJT、IGBT、GTO、IGCT。根據(jù)控制極（包括門極、柵極或基極）信號(hào)的不同性質(zhì)，可分為：電流控制型器件：一般通過從控制極注入或抽出控制電流的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)通或關(guān)斷的控制，如SCR；電壓控制型器件：利用場控原理控制的電力電子器件，其導(dǎo)通或關(guān)斷是由控制極上的電壓信號(hào)控制的，控制極電流極小，如IGBT。第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）根據(jù)半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況，可分為：單極型器件：由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如MOSFET； 單極型器件只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，是電壓控制型器件，具有控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡單、工作頻率高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是通態(tài)壓降大、導(dǎo)通損耗大。雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，如BJT； 雙極型器件中兩種載流子都參與導(dǎo)電，具有通態(tài)壓降小、導(dǎo)通損耗小的顯著特點(diǎn)，多數(shù)屬于電流控制型，其缺點(diǎn)是控制功率大、驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜、工作頻率較低、有二次擊穿問題等?；旌闲推骷河蓡螛O型和雙極型兩種器件組成的復(fù)合器件，如IGBT。 混合型器件又稱復(fù)合型器件，綜合了單極型和雙極型各自的優(yōu)點(diǎn)，利用雙極型器件作為它的輸出級(jí)，而利用單極性器件作為它的輸入級(jí)。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）3、IGCT概述

IGCT的器件機(jī)理IGCT：集成門極換向晶閘管IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）是由GCT（GateCommutatedturn-offThyristor）和其門極控制電路集中成一體化的組件。也有人稱之為“發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO）”，實(shí)際上是關(guān)斷增益為1的GTO，是把MOSFET從器件內(nèi)部拿到外部來的MCT。IGCT是一種用于巨型電力電子設(shè)備中的新型電力半導(dǎo)體器件。瑞士ABB公司和日本三菱公司合作，把三菱制造的環(huán)形門極GTO配以外加的MOSFET實(shí)現(xiàn)了體外MCT的功能，并把這種方案專利化。GCT:GCT是在GTO基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新器件，它保留了GTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開關(guān)性能。第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）GCT采用了緩沖層設(shè)計(jì)，它使器件的通態(tài)和開關(guān)損耗可減少到原來的1/2~1/2.5，但緩沖層會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)不能盡快抽走器件在通態(tài)時(shí)存儲(chǔ)的電荷；常規(guī)的GTO采用陽極短路技術(shù)，為存儲(chǔ)電荷的抽走提供一條通路，但陽極短路和緩沖層的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致極高的觸發(fā)電流和維持電流。GTO有兩個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)“通”和“斷”，在它們之間（開斷過程中）是不穩(wěn)定狀態(tài)。GCT取消陽極短路，而將陽極做成可穿透型，這樣，電荷存儲(chǔ)時(shí)間減少至1/20，后沿拖尾電流減小為原來的1/20。同時(shí)還能在同樣阻斷電壓條件下，減少芯片厚度30%，使得導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低。GCT采用一種新的低電感的觸發(fā)電路，在門極－20V偏置情況下，可獲得4000A/μS電流變化率，使得在大約1μS時(shí)間內(nèi)，陽極電壓開始上升前，將全部陽極電流經(jīng)門極流出，不通過陰極，晶閘管的PNPN四層結(jié)構(gòu)暫時(shí)變?yōu)镻NP晶體管的三層結(jié)構(gòu)，有了穩(wěn)定的中間狀態(tài)，一致性好，據(jù)稱可以無緩沖電路運(yùn)行。第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）由于GCT硅片厚度減少，允許在同一GCT片上做出高效的反并聯(lián)續(xù)流二極管。GCT的門極關(guān)斷峰值電流非常大，觸發(fā)電路需要相當(dāng)容量的MOSFET和相當(dāng)數(shù)量的電解電容及其他元件組成，電路非常復(fù)雜，要求很高，所以一般由GCT生產(chǎn)廠家把門極觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和GCT管芯，甚至反并聯(lián)續(xù)流二極管做成一個(gè)整體，成為IGCT，通過光纖輸入觸發(fā)信號(hào)，輸出工作狀態(tài)信號(hào)。綜述：IGCT采用逆導(dǎo)技術(shù)可將GCT與續(xù)流二極管FWD集成在單一芯片上，采用門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)使GCT通過印刷電路版與門極驅(qū)動(dòng)電路以低電感方式直接相連，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、耐壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外，IGCT還像GTO一樣，具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn)。第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）1996年問世的IGCT在多個(gè)方面打破了新功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展傳統(tǒng)模式：

GTO器件，從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；

IGBT器件在1981年以6A/600V開始，到現(xiàn)在已發(fā)展到額定值達(dá)到4.5KV/2000A；它們都是從牽引應(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。

IGCT恰恰倒轉(zhuǎn)了這種趨勢，它首先以4.5KV/4KA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。目前IGCT最大容量，反向阻斷型為4500V、4000A，逆導(dǎo)型為5500V、1800A。用于三電平逆變器時(shí)，輸出最高交流電壓為4160V，如要求更高的輸出電壓，比如6KV交流輸出，只能采取器件直接串聯(lián)。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）以5500V、1800A（最大可關(guān)斷陽極電流值）的逆導(dǎo)型IGCT為例，通態(tài)平均電流為700A，通態(tài)壓降為3V，通態(tài)陽極電流上升率為530A/μS，導(dǎo)通延遲時(shí)間小于2μS，上升時(shí)間小于1μS，關(guān)斷延遲時(shí)間小于6μS，下降時(shí)間小于1μS，最小通態(tài)維持時(shí)間為10μS，最小斷態(tài)維持時(shí)間為10μS，導(dǎo)通每脈沖能耗小于1J，關(guān)斷每脈沖能耗小于10J。內(nèi)部集成的反并聯(lián)續(xù)流二極管（快恢復(fù)二極管），通態(tài)平均電流為290A，通態(tài)壓降為5.2V，反向恢復(fù)電流變化率小于530A/μS，反向恢復(fù)電流小于780A。

IGCT的技術(shù)特點(diǎn)門極硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)：采用“硬驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，GCT通過印刷電路版與門極驅(qū)動(dòng)電路直接相連。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）

IGCT的結(jié)構(gòu)：門極驅(qū)動(dòng)器裝入不同的裝置，GCT與門極驅(qū)動(dòng)器相距很近，該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。環(huán)繞型IGCT，為了使IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固，用門極驅(qū)動(dòng)電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個(gè)自然整體，其內(nèi)包含GCT門極驅(qū)動(dòng)電路所需的全部元件。兩種形式均可使門極電路的電感進(jìn)一步減?。?lt;5mH）)，并降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和內(nèi)部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的成本和失效率。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）硬驅(qū)動(dòng)是指器件開通和關(guān)斷時(shí)，門極驅(qū)動(dòng)電壓和電流有一適當(dāng)高的幅值和上升率。為了加快從IGCT門極抽出P基區(qū)存儲(chǔ)電荷的過程，門極負(fù)電壓應(yīng)有接近門-陰結(jié)雪崩擊穿電壓值；為了減少存儲(chǔ)時(shí)間減少存儲(chǔ)功耗，就要提高門極負(fù)向電流上升率達(dá)4-6kA/s，門極電流脈沖幅值也要達(dá)到陽極關(guān)斷電流（GCT關(guān)斷增益約為1，GTO則為3-5），只有這樣方能保證GCT互聯(lián)晶體管對(duì)中的PNP管在NPN管很快熄滅后自動(dòng)關(guān)斷。即器件開始承受全阻斷電壓前，全部陽極電流在1μs內(nèi)換向至門極，這就要大大限制全部門極回路的總電感。例如，要關(guān)斷4000A電流，門極電壓為不致雪崩擊穿的20V，其門極驅(qū)動(dòng)最大總電感Ls應(yīng)為Ls<VG/(dI/dt)=20V/(4000A/μs)=5nH。如此低的電感，除采用前述措施外，很重要的一點(diǎn)就是將門極驅(qū)動(dòng)電路與GCT集成于一起，即IGCT。硬驅(qū)動(dòng)：第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）

硬驅(qū)動(dòng)是GCT成為新器件的關(guān)鍵。其實(shí)，不僅IGCT，即使普通GTO，硬驅(qū)動(dòng)也能使其性能明顯改善。由于硬驅(qū)動(dòng)使得IGCT的開通和存儲(chǔ)時(shí)間大大減少，全部運(yùn)行范圍都能均勻一致的開關(guān)（離散偏差僅300ns）且無需緩沖器，易于串并聯(lián)，矩形安全工作區(qū)幾乎達(dá)硅片的雪崩極限，硬驅(qū)動(dòng)連同緩沖層透明陽極還使門極關(guān)斷電荷銳減，門極驅(qū)動(dòng)功率驟降，門極單元尺寸大約縮為GTO的一半，硬驅(qū)動(dòng)是IGCT的一個(gè)重大突破。與GTO相比，IGCT對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路的要求大為降低，主要原因?yàn)椋篒GCT的存儲(chǔ)時(shí)間下降約為95%，便于實(shí)現(xiàn)簡單耐用的串聯(lián)；

IGCT能非常均勻地工作，可顯著減少或忽略dv/dt吸收電路及逆變器的損耗；

IGCT門極關(guān)斷電荷降低約為75%，可顯著降低門極驅(qū)動(dòng)功率；門極驅(qū)動(dòng)成本低；

IGCT采用透明陽極技術(shù)，其后沿電流降低95%。

第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）陰極梳條及環(huán)形門極結(jié)構(gòu)與GTO一樣，足夠精細(xì)的分立陰極梳條結(jié)構(gòu)及環(huán)形門極結(jié)構(gòu)有利于其快速而均勻的開通與關(guān)斷，門極環(huán)允許門極端子到硅片上門極條之間有很低的電感接觸，有利于其達(dá)到實(shí)現(xiàn)門極硬驅(qū)動(dòng)的技術(shù)條件；在傳統(tǒng)GTO、二極管、IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型（PT）結(jié)構(gòu)。與非穿通型（NPT）結(jié)構(gòu)相比，在相同的阻斷電壓下可使器件的片厚降低約30%。同理，在GCT中采用緩沖層，即在n-和p+層間引入n+緩沖層，由于電場被n+緩沖層阻擋，形成一個(gè)四邊形電場分布。這樣采用較薄的硅片厚度可達(dá)到相同的阻斷電壓，從而提高了器件的效率，使通態(tài)壓降和開關(guān)損耗降低。在4.5KV的GCT中，緩沖層的使用使得芯片的厚度比同樣耐壓等級(jí)的GTO芯片厚度減小約40%；同時(shí)采用緩沖層技術(shù)，使單片GCT與二極管的組合成為可能。第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）為了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對(duì)陽極晶體管的增益加以限制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低。透明陽極是一個(gè)很薄的pn結(jié)，其發(fā)射效率與電流有關(guān)，且損耗和開通閥值電壓都很低。小電流時(shí)透明陽極的發(fā)射率很高，從而使GCT要求的觸發(fā)電流及通態(tài)門極電流都很低，減小了門極驅(qū)動(dòng)功率；大電流（如關(guān)斷）時(shí)，透明陽極的發(fā)射率較低且無空穴注入，從而使關(guān)斷時(shí)使電子能通過透明陽極快速抽出，縮短了關(guān)斷時(shí)間（小于3μS）。電子穿透陽極就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽極。傳統(tǒng)的GTO則是采用陽極短路結(jié)構(gòu)來達(dá)到相同的目的，采用透明陽極來代替陽極短路點(diǎn)，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低整整一個(gè)數(shù)量級(jí)；采用全壓接技術(shù)：全壓接技術(shù)是相對(duì)于平常燒結(jié)工藝而言的，其硅片與鉬片之間的電、熱接觸是通過外部封裝壓力來實(shí)現(xiàn)的，減小了硅片內(nèi)部的應(yīng)力分布；第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）所謂逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)，就是將GCT與反并聯(lián)二極管集成于同一硅片上。對(duì)于傳統(tǒng)的GTO，由于其硅片的厚度大于與之配對(duì)的續(xù)流二極管的硅片厚度，GTO和二極管的集成會(huì)大大降低二極管的性能。而緩沖層和透明陽極技術(shù)的引入克服了硅片厚度上的缺陷，使得GCT硅片的厚度減小，使二者能夠很好地集成在一起。GCT大都制成逆導(dǎo)型，與非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)不同，它可與優(yōu)化的續(xù)流二極管FWD單片集成在同一芯片上。穿通型GCT的最小基區(qū)厚度與二極管相同，可承受相同的阻斷電壓。由于二極管和GCT享有同一個(gè)阻斷結(jié)（pn-），GCT的P基區(qū)與二極管的陽極相連，這樣在GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道，為防止兩者交替工作帶來的相互干擾，在兩者之間設(shè)置隔離區(qū)，即在P區(qū)內(nèi)嵌入n區(qū)作為隔離區(qū)，這樣逆導(dǎo)GCT與二極管中間因?yàn)橛蠵NP結(jié)構(gòu)，其中總有一個(gè)pn結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。為了使GCT能夠無吸收地關(guān)斷，要求集成在其中的FWD也必須在無吸收電路和高電流上升率di/dt的工作條件下關(guān)斷，所以要求逆導(dǎo)GCT不僅具有較低的靜態(tài)損耗及動(dòng)態(tài)損耗，而且應(yīng)具備優(yōu)良的恢復(fù)特性。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）

IGCT的優(yōu)點(diǎn)：門極驅(qū)動(dòng)更加可靠：由于新技術(shù)的采用，IGCT所需要的門極驅(qū)動(dòng)功率不到相同容量GTO的20%。而且為了更加堅(jiān)固和緊湊，IGCT的門極驅(qū)動(dòng)電路圍繞GCT設(shè)置，與GCT組成一體，這種設(shè)計(jì)使得IGCT門極驅(qū)動(dòng)的造價(jià)和故障率大大降低。性能更強(qiáng)的關(guān)斷特性：由于硬驅(qū)動(dòng)使得GCT在1μS內(nèi)可從PNPN狀態(tài)轉(zhuǎn)為PNP狀態(tài)，關(guān)斷完全以晶體管方式發(fā)生，這種均勻關(guān)斷使安全工作區(qū)增大到完全動(dòng)態(tài)雪崩區(qū)域。這樣的關(guān)斷特性使得IGCT不需要關(guān)斷吸收電路，且可以直接串連工作。更小的通態(tài)及關(guān)斷損耗：緩沖層的采用使得在相同正向擊穿電壓下IGCT器件厚度減少了30%，從而大大減少了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。由于損耗特性的改進(jìn)以及現(xiàn)在可以在無吸收電路下工作，IGCT可以工作在200~2kHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)。更少的外圍器件及更低的裝置成本：IGCT所獨(dú)有的特性使得它不需要關(guān)斷吸收電路。IGCT結(jié)構(gòu)集成了續(xù)流二極管，使得裝置更加簡化、可靠。第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）4、IGCT的開通和關(guān)斷機(jī)理IGCT是GCT和集成門極驅(qū)動(dòng)電路的總稱，所以其工作原理主要取決于GCT的工作過程。可以用兩個(gè)晶體管表示的IGCT工作原理，如圖所示。開通時(shí):

門極施以正強(qiáng)電壓初瞬，GCT處于NPN晶體管狀態(tài)，這時(shí)晶體管作用大于晶閘管作用。轉(zhuǎn)入導(dǎo)通后，GCT仍可用兩正反饋的晶體管等效，強(qiáng)烈的正反饋使兩晶體管都飽和導(dǎo)通。所以當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，是一個(gè)像晶閘管一樣的正反饋開關(guān)，其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）關(guān)斷時(shí):

IGCT采用了消除“GTO區(qū)”技術(shù)，即在電荷從陽極N基區(qū)完全被抽出之前（即陰極NPN晶體管完全停止注入電荷之前），整個(gè)陽極電流由陰極迅速轉(zhuǎn)向門極。這樣，GCT可以無中間區(qū)，無緩沖關(guān)斷的機(jī)理在于：強(qiáng)關(guān)斷時(shí)可使它的陰極注入瞬時(shí)停止，不參予以后過程。使器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是讓GCT門一陰極PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置，并有效的退出工作，即在P基n發(fā)射結(jié)外施很高負(fù)電壓，使陽極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移（或換向）至門極（門極換向晶閘管即由此得名），不活躍的NPN管一停止注入，PNP管即因無基極電流容易關(guān)斷。

在承受任何阻斷電壓之前，IGCT己經(jīng)變成晶體管，這與GTO以晶閘管方式承受阻斷電壓形成鮮明的對(duì)比。GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時(shí)間，而GTO卻是在SCR狀態(tài)下承受全阻斷電壓的。由于IGCT的關(guān)斷發(fā)生在變成晶體管之后，所以它已無外加dv/dt的限制，并且可像MOSFBT或IGBT那樣工作，而無需吸收電路，所以GCT無二次擊穿，拖尾電流雖大但時(shí)間很短。第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）IGCT器件在開通和阻斷狀態(tài)下的等效電路如圖所示。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）GTO器件在開通和阻斷狀態(tài)下的等效電路如圖所示。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）對(duì)比可見：在導(dǎo)通和阻斷狀態(tài)下，GCT和GTO有明顯不同，即GCT可瞬時(shí)從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，而GTO必須經(jīng)過由一個(gè)既非導(dǎo)通又非阻斷的中間不定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)橛羞@樣一個(gè)“GTO”階段，GTO才需要很大的吸收電路來抑制再加電壓的變化率（dv/dt）。其原因在于晶閘管與簡單的晶體管不同，它對(duì)dv/dt很敏感。綜合上述：合適的門極強(qiáng)驅(qū)動(dòng)下，GCT開通初瞬處于NPN晶體管狀態(tài)；導(dǎo)通時(shí)為晶閘管狀態(tài)；關(guān)斷瞬間和截止?fàn)顟B(tài)均為PNP晶體管狀態(tài)。5、IGCT測試電路

在建立IGCT器件仿真模型后，要想對(duì)IGCT模型進(jìn)行測試，必須先建立測試環(huán)境，即測試電路。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）測試電路中：、構(gòu)成IGCT的緩沖箝位電路。仿真測試電路中：

Lcl是為了模擬變換器中雜散電感和分析IGCT開關(guān)特性而加入的等效電感。第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）式中：di/dtmax是IGCT和反并聯(lián)二極管允許的最大值。即在電壓型逆變器中，每個(gè)IGCT的導(dǎo)通都伴隨著一個(gè)二極管的關(guān)斷，因此必須考慮二極管關(guān)斷時(shí)允許的最大di/dt。陽極電抗：陽極電路與橋臂間的雜散電抗：

該電感越小越好，越大導(dǎo)致IGCT關(guān)斷損耗和第一個(gè)關(guān)斷過電壓越大，安全工作區(qū)越小。箝位電路：當(dāng)直流側(cè)電容遠(yuǎn)大于箝位電容且雜散電感可忽略時(shí)，陽極箝位電路可看成一個(gè)阻尼并聯(lián)諧振的“LC電路“。一般的應(yīng)用中，直流側(cè)電容遠(yuǎn)大于箝位電容是成立的，但雜散電感一般不可忽略。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日

有時(shí)，回路Cdc–CCL-Rs中的雜散電感Ls對(duì)關(guān)斷時(shí)IGCT陽陰極間的第二個(gè)過電壓峰值VDM的影響不能忽略；此外還要考慮陽極電路到準(zhǔn)備好下一次換流前所需的時(shí)間。

當(dāng)IGCT導(dǎo)通時(shí)，箝位二極管被強(qiáng)制從導(dǎo)通狀態(tài)或低電壓阻斷狀態(tài)變成高電壓阻斷狀態(tài)。如果二極管正在導(dǎo)通，它此時(shí)關(guān)斷的di/dt只被LCL限制。在重復(fù)的工況下，這種應(yīng)力可能會(huì)超過二極管允許的di/dt能力。因此，IGCT在關(guān)斷后必須保持一個(gè)最小的關(guān)斷時(shí)間，以保證箝位二極管承受的關(guān)斷di/dt在允許范圍內(nèi)。一、功率器件概述（續(xù)）其它箝位電路元件參數(shù)的計(jì)算：特征諧振頻率為：第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日阻尼諧振頻率為：振蕩周期為:一、功率器件概述（續(xù)）阻尼系數(shù)為:設(shè)定阻尼系數(shù)D為0.8，則如果Cdc–CCL-Rs回路的雜散電感很小，就可得到一個(gè)可接受的關(guān)斷暫態(tài)過程。箝位電容為:是關(guān)斷時(shí)刻電抗中的最大電流，可取為IGCT最大可關(guān)斷電流。是箱位電容上的過電壓值，是IGCT最大允許電壓峰值VDRM與最大允許直流電壓VDCMAX之差值。第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）K是計(jì)及雜散電感LCL

對(duì)過電壓的影響加入的系數(shù)。如果這個(gè)電感值很小（LCL<0.1Li），則k可取為0.9。那么可求出Rs

：IGCT的最小關(guān)斷時(shí)間可設(shè)為等于阻尼振蕩的周期TD：6、IGCT與GTO、IGBT的比較GTO第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）GTO是一個(gè)很有代表性的器件，它通過門極電流來控制導(dǎo)通和關(guān)斷，高阻斷電壓、大通態(tài)電流是它突出的特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)而言，它是由幾百個(gè)甚至幾千個(gè)小原胞（GTO）并聯(lián)而成，小原胞越多，器件的容量越大。

GTO芯片的直徑現(xiàn)己達(dá)到150mm，工作電流6000A.工作電壓6000V。

GTO關(guān)斷時(shí)間過長（幾十μs），而且關(guān)斷過程是非均勻的，易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，造成器件失效；電荷存儲(chǔ)時(shí)間差異過大，使GTO在串聯(lián)和并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，需要有復(fù)雜的緩沖電路，這種電路幾乎占最終設(shè)備體積的一半以上，因而使其應(yīng)用受到很大限制。IGBT80年代問世的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是晶體管類器件的佼佼者。它關(guān)斷時(shí)間短（幾μs），工作頻率高，而且關(guān)斷過程均勻，應(yīng)用電路不需要緩沖電路。第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日一、功率器件概述（續(xù)）目前單管容量有限。為了提高導(dǎo)通電流和工作電壓，只好將它們進(jìn)行串并聯(lián)，做成模塊使用，這無疑增加了設(shè)計(jì)的難度和制造的復(fù)雜性，并使可靠性降低。將來容量的可以提高，但其通態(tài)損耗過大。IGCT針對(duì)GTO和IGBT的這些缺點(diǎn)，ABB公司的技術(shù)人員對(duì)GTO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大改進(jìn)，研制出GCT，再將硬門極驅(qū)動(dòng)電路集成在GCT旁，開發(fā)出IGCT。

IGCT（ETO）是以GTO為基礎(chǔ)，在其陰極串連一組N溝道MOSFET（以