集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动

IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究集成门极换流晶闸管(IGCT)是一种新型大功率半导体器件,它是将门极换流晶闸管(GCT)和门极驱动器以低电感方式通过印制电路板(PCB)集成在一起,具有很好的应用前景。

GCT的开通和关断需要借助集成门极“硬驱动”电路完成,驱动电路的优劣直接影响到器件的优良特性能否实现,因此必须严格控制电路中的杂散电感。

并且,在驱动电路和应用系统的设计时缺少IGCT的电路仿真模型。

本文针对以上问题,对4500V/4000AIGCT电路模型和驱动电路的关键技术进行研究和探讨,主要内容有以下几个方面:1.研究IGCT的开关原理和内部换流机理,建立IGCT的“硬驱动”电路仿真模型(M-2T-3R-C),该模型能够较准确地表征IGCT开关特性和内部换流机理,在电路仿真时可以替代GCT器件。

对关键模型参数进行分析与提取,验证该模型的准确性。

在此基础上建立了双芯GCT(Dual-GCT)的电路仿真模型,将仿真波形与同条件下的实验波形对比,验证了该模型的准确性。

并基于SiC 功率MOSFET的IGCT电路模型进行参数提取,仿真结果表明采用SiC 功率MOSFET的电路模型与普通Si MOSFET的相比,可将IGCT的关断时间缩短3vs。

该模型为IGCT及其派生器件的应用奠定了基础。

2.针对4500V/4000A IGCT的“硬驱动”要求,关断时门极电流的上升率要达到-4000A/μs以上,杂散电感必须控制在5nH。

为了控制关断回路的杂散电感,首先对关断箝位电路进行优化分析,提取了箝位电容和箝位电阻的优化值。

然后,研究关断回路的杂散电感的分布,优化电路布局抑制杂散电感,将关断回路总杂散电感从13.6nH降低到4.7nH,最终达到3.5nH,使门极电流峰值和上升率分别达到-6120A和-5720A/μs,满足4500V/4000AIGCT的驱动电路关断能力的要求。

3.根据“硬驱动”电路的指标,研究了开通、维持、关断驱动电路的工作原理,针对其各部分需要解决的关键问题,提出完整的电路原理图,基于本文所建立的IGCT硬驱动电路仿真模型进行电路仿真。

IGCT的应用Matthias Lüscher, Thomas Setz, Pascal KernABB 瑞士有限公司半导体部2005,09IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）半导体控制参数，如门极和关断脉冲的放大、脉冲宽度和上升率、门极电路感应、泄放通道和其它参数是半导体制造者必须认真对待的。

带有标准配置门极单元的IGCT 广泛应用于电压源型逆变器、电流源型逆变器、斩波器、静态断路器和许多其它拓扑电路。

现在，可以简化变流器设计工程师与功率半导体制造者间的电源控制接口、控制信号传输和机械安装的讨论和说明。

降低了开发成本和时间，并使功率半导体技术便于普及。

本文描述关于IGCT门极单元的电源的基本设计规则和方法/应用建议、隔离和光纤控制接口、控制、诊断和保护参数、以及环境方面。

3 用户指南这里说明在正常和故障运行中用户最重要的问题：门极单元电源、接口绝缘、光纤接口、控制及诊断功能。

也简要说明如抗电磁干扰、振动抑制、及发热控制等。

首先给出IGCT门极单元方框图（见图1）。

图1：IGCT门极单元方框图3.1电源接口绝缘IGCT需要的电源绝缘是变流器最大使用的额定电压，这个电压从几千伏到几万伏，超过IGCT的应用范围。

因此，需要的绝缘强度和距离可能有很大差别。

此外，通过绝缘界面传输的功率消耗很大程度依赖于应用情况，为了解决功率输出能力和绝缘强度，使用者或许需要不同的隔离接口。

接口的成本、绝缘接口标准也不同。

这就是为什么IGCT门极单元不提供一个与板分开的保护。

门极单元电源输出与电源电缆必须能承受变流器功率半导体的高压。

门极单元电源连接端子X1定义在IGCT图2，对应的电源电缆端子可在供货商得到。

图2 电源输入端子X1（从外部看）输入电压、电流门极单元有整流和电压调节器，此外，隔离变压器输出可以直接连接到出发单元电源输入端子，也可以输入直流电压电源电压V GIN,RMS在数据页已给出。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

目录结构工作特性发展历史输出特性与转移特性模块简介等效电路结构工作特性发展历史输出特性与转移特性模块简介等效电路展开编辑本段结构IGBT结构图左边所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。

P+ 区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。

而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

集成门极换流晶闸管（IGCT）———原理及驱动电气信息工程学院自动化10-02班卢靖宇541001010225集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)1997年由ABB公司提出。

该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT 集成于一个整体形成的。

门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。

主要优点是： IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且制造成本低，成品率高，有很好的应用前景。

IGCT、GTO和IGBT的比较：比较的器件及容量为:IGCT----4500V/3000A，GTG---4500V/3000A， IGBT----3300V/1200A。

集成门极换流晶闸管（IGCT）的电气符号二、IGCT的结构和工作原理1.IGCT 的分类按内部结构来分，IGCT可以分成以下三类:(l)不对称型(Asymmetric)在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，器件能正向承受高电压，但不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。

一般需要从外部并联续流二极管。

(2)反向阻断型(逆阻型)(Reverse blocking)在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管的串联，电流只能从一个方向(从阳极到阴极)流通，串联的二级管为这类器件提供了承受反向电压的能力。

(3)反向导通型(逆导型)(Reverse conducting)在结构是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管的反向并联，电流可以两个方向流通，不能承受反向电压。

由于GCT与续流二极管集成在同一个芯片上，不需要从外部并联续流二极管，变流器在结构上更加简洁，体积更小。

IGCT概念及其应用IGCT是一种在大功率开关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电力电子器件。

和GTO 相比，IGCT的关断时间降低了30%，功耗降低40%。

IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，并且具有最低的功率损耗。

IGCT在使用时只需将它连接到一个20V的电源和一根光纤上就可以控制它的开通和关断。

由于IGCT设计理想，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。

关键词：IGCT；原理；运用；变频器概述一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。

自从50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力。

60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。

70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。

80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT)问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。

它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件-MOSFET门控晶闸管的研究。

因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。

大功率器件及其发展门极关断晶闸管大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间内，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。

因此，针对SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引向了如何使晶闸管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了门极关断晶闸管。

用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，故仍较复杂，工作频率也不够高。

IGCT 电路模型与驱动电路重点技术的研究集成门极换流晶闸管 (IGCT) 是一种新式大功率半导体器件, 它是将门极换流晶闸管 (GCT)和门极驱动器以低电感方式经过印制电路板(PCB)集成在一同 , 拥有很好的应用远景。

GCT的开通和关断需要借助集成门极“硬驱动”电路达成 , 驱动电路的好坏直接影响到器件的优秀特征可否实现 , 所以一定严格控制电路中的杂散电感。

而且 , 在驱动电路和应用系统的设计时缺乏 IGCT的电路仿真模型。

本文针对以上问题 , 对4500V/4000AIGCT电路模型和驱动电路的重点技术进行研究和商讨 , 主要内容有以下几个方面 :1. 研究 IGCT的开关原理和内部换流机理 , 成立IGCT的“硬驱动” 电路仿真模型 (M-2T-3R-C), 该模型能够较正确地表征 IGCT开关特征和内部换流机理 , 在电路仿真时能够代替 GCT器件。

对重点模型参数进行剖析与提取 , 考证该模型的正确性。

在此基础上成立了双芯 GCT(Dual-GCT)的电路仿真模型 , 将仿真波形与同条件下的实验波形对照 , 考证了该模型的正确性。

并鉴于 SiC 功率 MOSFET的 IGCT 电路模型进行参数提取 , 仿真结果表示采纳 SiC 功率 MOSFET的电路模型与一般 Si MOSFET的对比 , 可将 IGCT的关断时间缩短 3vs。

该模型为 IGCT及其派生器件的应用确立了基础。

2. 针对 4500V/4000A IGCT 的“硬驱动”要求 , 关断时门极电流的上涨率要达到 -4000A/ μs 以上 , 杂散电感一定控制在 5nH。

为了控制关断回路的杂散电感 , 第一对关断箝位电路进行优化剖析 , 提取了箝位电容和箝位电阻的优化值。

而后 , 研究关断回路的杂散电感的散布 , 优化电路布局克制杂散电感 , 将关断回路总杂散电感从 13.6nH 降低到 4.7nH,最后达到 3.5nH, 使门极电流峰值和上涨率分别达到-6120A 和-5720A/ μs, 知足 4500V/4000AIGCT的驱动电路关断能力的要求。

IGCT及IGCT变频器1 引言大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。

因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。

用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。

几乎与此同时，电力晶体管（GT R）迅速发展了起来。

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。

其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。

IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。

而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。

由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。

虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。

2 IGCT集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。

门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。

IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。

目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。

1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。

igct的演变过程
IGCT（集成门极换流晶闸管）的演变过程如下：
自从1957年在美国通用公司诞生以来，晶闸管已经发展了20多年。

它们已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品，早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。

晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。

到了20世纪70年代后期，随着技术的发展，门极可关断晶闸管（GTO）开始得到快速发展。

GTO是一种全控型器件，比传统晶闸管具有更大的灵活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。

然而，由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、IGCT等器件性能不断提升，GTO逐渐被取代。

在20世纪80年代，以IGBT为代表的高速、全控型器件迅速发展。

而到了21世纪，随着技术的进一步发展，集成门极换流晶闸管（IGCT）开始出现并得到广泛应用。

IGCT是一种集成了GTO和IGBT优点的新型电力电子器件，具有更低的关断
损耗、更高的可靠性以及更长的寿命。

此外，IGCT还具有易于模块化和集成化的优点，能够更好地适应现代电力系统的需求。

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