大功率半導(dǎo)體開關(guān)igc的研究

大功率半導(dǎo)體開關(guān)igc的研究

1門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)20世紀(jì)60年代初，根據(jù)pvmn4級(jí)三段件的原理，開發(fā)了一種自關(guān)斷的gto裝置，但由于技術(shù)和技術(shù)的限制，最終實(shí)現(xiàn)了gto在大型設(shè)備領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移。進(jìn)入80年代以來(lái),GTO技術(shù)得到了極大的發(fā)展,功率容量及技術(shù)性能不斷提高,目前已達(dá)到6000A/6000V的水平。GTO是一種能通過門極來(lái)控制器件導(dǎo)通和關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件,具有導(dǎo)通電流密度高、耐壓高及dV/dt耐量高等特性,在0.5~2MVA的變流器中得到了廣泛應(yīng)用。但由于它具有不均勻關(guān)斷的特性,其應(yīng)用電路中需要一個(gè)龐大的吸收電路來(lái)吸收關(guān)斷過程中所產(chǎn)生的過電壓并減小其關(guān)斷損耗,同時(shí)其門極驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜且驅(qū)動(dòng)功率較大,限制了它的應(yīng)用范圍。90年代初期,大功率GTO發(fā)展幾乎陷于停頓。人們注意到提高門極電流上升率dIG/dt對(duì)降低雙極型器件存儲(chǔ)時(shí)間的顯著作用后,開始對(duì)大功率GTO器件的關(guān)斷特性及機(jī)理進(jìn)行大量而細(xì)致的研究,試圖借助于門極硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)改善大功率GTO器件的非均勻關(guān)斷特性。但由于普通門極驅(qū)動(dòng)回路中寄生電感較大,要達(dá)到硬驅(qū)動(dòng)要求,驅(qū)動(dòng)電壓必定很高,對(duì)于3000A/4500VGTO而言,驅(qū)動(dòng)電壓在900V以上,這不僅需要龐大的門極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)功耗很大,而且極有可能造成門-陰結(jié)的動(dòng)態(tài)雪崩,得不償失。90年代中期,ABB科研人員通過優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)單元和器件外殼設(shè)計(jì),采用集成門極等技術(shù),大大降低了門極驅(qū)動(dòng)回路中的電感,只需20V的驅(qū)動(dòng)電源便可滿足硬驅(qū)動(dòng)的要求。此時(shí)門-陰結(jié)幾乎不會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩,驅(qū)動(dòng)功耗比標(biāo)準(zhǔn)GTO亦有所減少,從而實(shí)現(xiàn)了GTO到HD-GTO(硬驅(qū)動(dòng)GTO)的技術(shù)飛躍。與GTO相比,HD-GTO在關(guān)斷特性等方面獲得了突破,能實(shí)現(xiàn)在無(wú)吸收回路下的均勻而可靠的關(guān)斷,開關(guān)損耗亦有所降低。為克服HD-GTO通態(tài)損耗較大的缺點(diǎn),科研人員借鑒了IGBT在向中、高電壓發(fā)展過程中所積累的各種降低損耗的技術(shù)后,對(duì)HD-GTO管芯的縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,出現(xiàn)了以“緩沖層結(jié)構(gòu)”和“陽(yáng)極透明發(fā)射極”為結(jié)構(gòu)特征的HD-TGTO(硬驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極透明GTO),并將它與其集成的硬驅(qū)動(dòng)門控單元一起命名為IGCT(集成門極換流晶閘管)。由于緩沖層結(jié)構(gòu)使器件厚度降低了30%左右,為其集成一個(gè)性能優(yōu)良的反并聯(lián)續(xù)流二極管創(chuàng)造了有利條件。綜上所述,IGCT是一種基于GTO結(jié)構(gòu)、門極回路電感很低以至于能實(shí)現(xiàn)各陰極發(fā)射極條準(zhǔn)同步關(guān)斷的新型大功率半導(dǎo)體器件,它綜合了晶閘管通態(tài)損耗低和晶體管的均勻關(guān)斷特性,具有良好的可制造性及高可靠性,功率容量比GTO更大,工作頻率比GTO更高。表1是3000A/4500VGTO、HD-GTO及IGCT的特性對(duì)比。IGCT的問世得益于電路技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的完美結(jié)合,是大功率GTO器件技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的里程碑,為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效、可靠的逆變器設(shè)計(jì)提供了極大的方便。2igct的結(jié)構(gòu)和性能2.1設(shè)備的截面結(jié)構(gòu)IGCT主要由主開關(guān)器件GCT及其相應(yīng)的集成門極驅(qū)動(dòng)單元組成。其核心器件GCT有圖1所示的剖面結(jié)構(gòu)。2.2igct的特性IGCT是以GTO為基礎(chǔ)、并借鑒大功率IGBT的五層結(jié)構(gòu)對(duì)其縱向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而開發(fā)成功的新型器件。它具有與GTO完全不同的關(guān)斷機(jī)理:在門極硬驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下,在主阻斷結(jié)電壓上升前關(guān)斷陰極發(fā)射極,全部陰極電流在1μs左右的時(shí)間內(nèi)快速轉(zhuǎn)換到門極,此后IGCT的關(guān)斷轉(zhuǎn)化為pnp晶體管的關(guān)斷,完全避免了晶閘管類器件的非均勻關(guān)斷現(xiàn)象。IGCT具有如下技術(shù)特點(diǎn):2.2.1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。2.2.2緩沖層結(jié)構(gòu)緩沖層結(jié)構(gòu)就是在高阻n-層和p+發(fā)射極之間插入一輕摻雜的n緩沖層,這種pin結(jié)構(gòu)能阻止電場(chǎng)向陽(yáng)極擴(kuò)展,使電場(chǎng)的分布為梯形而不是一般pn結(jié)的三角形分布,如圖2所示,即使在較高的阻斷電壓下,最大電場(chǎng)強(qiáng)度仍然較低,具有較高的承受宇宙射線的能力。與常規(guī)GTO設(shè)計(jì)相比,硅片厚度減小1/3,整個(gè)損耗也降至最低。2.2.3陽(yáng)極透明發(fā)射極結(jié)構(gòu)為了實(shí)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結(jié)構(gòu)。IGCT采用了很薄的陽(yáng)極發(fā)射區(qū),關(guān)斷期間陽(yáng)極電壓一旦建立,電子便能通過發(fā)射極排出,部分在金屬電極界面處復(fù)合,而不注入空穴,此時(shí)無(wú)需采用陽(yáng)極短路就可限制pnp晶體管的發(fā)射效率和增益,這樣既可以大大提高門極觸發(fā)靈敏度,同時(shí)也為引入n型緩沖層提供了可能。2.2.4門極硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過對(duì)門控單元及封裝外殼進(jìn)行低感設(shè)計(jì),并將主開關(guān)器件與其門控單元集成到一塊雙面印制板上,可使IGCT門-陰回路中的雜散電感降至標(biāo)準(zhǔn)門極回路的1%(約為5nH),關(guān)斷時(shí)的dIG/dt比標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)GTO增大了2個(gè)數(shù)量級(jí)。由于IGCT采用了陽(yáng)極透明發(fā)射極技術(shù),其門極單元體積大約是GTO門極驅(qū)動(dòng)單元的一半,同時(shí)緩沖層通過減小N基區(qū)的存儲(chǔ)電荷,可使其尾部電流持續(xù)時(shí)間(尾部電流經(jīng)門極單元排出)也減小,從而降低了對(duì)門極驅(qū)動(dòng)功率的要求。由于IGCT硬驅(qū)動(dòng)門極控制允許關(guān)斷增益為1和初始導(dǎo)通增益低(也接近于1),因此IGCT可以實(shí)現(xiàn)雙極晶體管的動(dòng)態(tài)特性。2.2.5逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有規(guī)格的IGCT主要用于電壓源逆變器,因而采用了非對(duì)稱技術(shù),在其主開關(guān)GCT的單片上集成了一個(gè)反并聯(lián)二極管。逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵要解決如下幾個(gè)問題:1)GCT與二極管的隔離采用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(gè)pn結(jié)反偏,從而阻斷了GCT門極與二極管陽(yáng)極之間的電流通路,較好地解決了兩者之間的隔離問題,同時(shí)充分利用了芯片面積。2)二極管本身的功耗由于GCT采用了緩沖層結(jié)構(gòu)及陽(yáng)極透明發(fā)射極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),硅片厚度顯著減小,且厚度與其配套續(xù)流二極管所要求的厚度能較好匹配,因而二極管功耗比逆導(dǎo)GTO上集成的二極管功耗要低得多。3)二極管恢復(fù)特性的控制IGCT具有無(wú)吸收電路下的可靠關(guān)斷特性,因而要求其集成的反向續(xù)流二極管必須在無(wú)吸收電路和在高電流上升率(dir/dt)的情況下實(shí)現(xiàn)關(guān)斷,否則其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)喪失殆盡,為此必須對(duì)二極管的Irr及其軟度進(jìn)行控制,以保證尾部電流下降到零的過程中反向電流不會(huì)斷流。通過質(zhì)子輻照等局部少子壽命控制的方法在硅片中形成非均勻的復(fù)合中心分布,可以較好地解決這一問題。2.2.6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(lái)實(shí)現(xiàn)的,由于陽(yáng)極透明發(fā)射極很薄,采用燒結(jié)工藝是無(wú)法控制的。這種結(jié)構(gòu)具有如下主要特點(diǎn):1)在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性中得到一種滿意的折衷;2)與燒結(jié)工藝相比,能減小工藝參數(shù)的離散性;3)減小硅片內(nèi)部的應(yīng)力分布。3igct產(chǎn)品特性3.1igct器件的通態(tài)特性IGCT通過利用緩沖層結(jié)構(gòu)及陽(yáng)極透明發(fā)射極技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)壓降和高關(guān)斷能力。圖3為IGCT器件的通態(tài)特性,其中給出了125℃下及1000~5000A電流范圍內(nèi),通態(tài)壓降的最大值(左)、最小值(右)及典型值(中)。此通態(tài)特性使得在T殼=85℃下,器件能通過2200A的均方根額定電流(正弦半波,50Hz)。3.2關(guān)斷損耗的確定由于具有均勻開關(guān)特性,IGCT的關(guān)斷能力大大提高。ABB半導(dǎo)體部開發(fā)的5SH35L4502器件關(guān)斷和對(duì)應(yīng)的關(guān)斷損耗典型值(非重復(fù)值)見表2。圖4給出了5kA下,吸收電容為4μF時(shí)IGCT的關(guān)斷情形,其吸收電感大于200nH。緩沖層設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在圖中清晰可見,尾部電流大,持續(xù)時(shí)間短。采用不同的輻照工藝可以降低尾部電流及關(guān)斷損耗,而通態(tài)電壓只略有提高。4igct應(yīng)用前景4.1無(wú)吸收關(guān)斷保護(hù)簡(jiǎn)化的門控單元;關(guān)斷時(shí)間及其分散性大大降低,非常適用于高壓串聯(lián)應(yīng)用;低的開關(guān)損耗使其開關(guān)頻率得以提高;無(wú)吸收關(guān)斷及集成有高性能的續(xù)流二極管可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用電路;系統(tǒng)可靠性高;IGCT的模塊化屬性使其置換非常簡(jiǎn)便;利用IGCT技術(shù)可以使功率控制裝置成本降低30%以上。4.2控制數(shù)的無(wú)效鐵路供電系統(tǒng)頻率變換裝置;通用變流器;機(jī)車電傳動(dòng);功率因數(shù)控制用靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置;6.9kV(有效值)線電壓的中壓傳動(dòng);化工、石油及能源工業(yè)中的水泵、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng);船舶推進(jìn)系統(tǒng)的電傳動(dòng)裝置;感應(yīng)加熱諧振逆變器;靜態(tài)斷路器。5晶閘管互通性能由于采用了硬驅(qū)動(dòng)、集成