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| 新型电力电子器件IGCT及其应用 |
| An Introduction and Application of IGCT |
■ 中国船舶重工集团第705研究所昆明分部 余世科 |
摘 要： 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。
图1 通用型IGCT 环绕型IGCT(略)
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（GTO）
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。而几乎是与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展起来，使GTO晶闸管相形见绰。因此，在大量的中小容量变频器中，GTO晶闸管已基本不用。但因其工作电流大，故在大容量变频器中仍居主要地位。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
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（C）和发射极（E），但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。
图2 (略)
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，输人阻抗高，栅极电流IG≈0，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输入。此外，其工作频率可达20kHz。由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在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，但是它们的性能仍在不断提高和改善，近年来出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）可望迅速地取代GTO。
集成门极换流晶闸管 （IGCT）
集成门极换流晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年问世的一种新型半导体开关器件。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。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M～3MVA，三电平逆变器1M～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，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。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。1998年，日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV／4kA的GCT晶闸管。IGCT外形图参见图1。
IGCT的结构与工作原理
门极换流晶闸管GCT的结构示意图，如图2（B）所示，该图左侧是GCT，右侧是反并联二极管。IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，见图2（A），GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO的重要差别是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。其导通机理与GTO一样，但关断机理与GTO完全不同。在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以，它无外加du／dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即"GTO区"，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du／dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联。
图3 (略)
GCT无中间区、无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参与以后过程。改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在P基N发射结外施加很高负电压，使阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（门极换向晶闸管即由此得名），不活跃的NPN管一停止注入，PNP管即因无基极电流容易关断。GCT成为PNP管早于它承受全阻断电压的时间，而GTO却是赟CR转态下承受全阻断电压的，所以GCT可像IGBT无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。
IGCT的关键技术
（1）缓冲层 在传统GTO、二极管及IGBT等器件中，采用缓冲层形成穿通型（PT）结构，与非穿通型（NPT）结构相比，它在相同的阻断电压下可使器件的厚度降低约30%。同理，在GCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗，可得到较好的VT-Eoff。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。
（2）透明阳极 为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。GCT的结构与IGBT相比，因不含MOS结构而从根本上得以简化。
（3）逆导技术 GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管FWD单片集成在同一芯片上。由于二极管和GCT享有同一个阻断结，GCT的P基区与二极管的阳极相连，这样在GCT门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT与二极管阳极间的电流流通。
（4）极驱动技术 IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。在图1（A）中，GCT与门极驱动器相距很近（间距15cm），该门极驱动器可以容易地装人不同的装置中，因此可认为该结构是一种通用形式。为了使IGCT的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围GCT，并与GCT和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕型IGCT，如图1（B）所示，其中包括GCT门极驱动电路所需的全部元件。这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小，并降低了门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本和失效率。所以说，IGCT在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。
总之，在采用缓冲层、透明阳极、逆导技术和门极驱动技术后，IGCT从GTO中脱颖而出，在所有中高压领域及功率为0.5M～100MVA的应用中代替了GTO。
IGCT变频器
低压IGBT和高压IGBT在高电压变频器中都采用。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。对低压IGBT来讲，高压IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。元件总体数量增加使变频器可靠性降低、柜体尺寸增大、成本提高。因此高压、大电流变频调速器在IGBT和GTO成熟技术的基础上，有了简洁的方案-IGC。这个优化的技术包含了对GTO的重新设计，使其具有重要的设计突破。新的IGCT引进了快速、均衡换流和内在的低损耗，主要的设计性能含有可靠的阳极设计来达到快速泄流、低损耗薄型硅晶片使切换快速以及使用大功率半导体的集成型门驱动器。
由于IGCT象IGBT那样具有快速开关功能，象GTO那样导电损耗低，在高压、大电流各种应用领域中可靠性更高。IGCT装置中所有元件装在紧凑的单元中,降低了成本。IGCT采用电压源型逆变器，与其他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率更高。对于4.16kV的变频器，逆变器中需要24个高压IGBT，如使用低压IGBT，则需60个，而同类型变频器若采用IGCT，则只需12个。
优化的技术只需更少的元件，相同电压等级的变频器采用IGCT的数量只需低压IGBT的五分之一。并且，由于IGCT损耗很小，所需的冷却装置较小，因而内在的可靠性更高。更少的元件还意味着更小的体积。因此，使用IGCT的变频器比使用IGBT的变频器简洁、可靠性高。
尽管IGCT变频器不需要限制du/dt的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制di/dt（这是IGCT的主要缺点），所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗，如图3所示。整套逆变器由11个元器件组成：6个IGCT（带集成反向二极管），1个电抗，1个钳位二极管，1个钳位电容和1个电阻，一套门极驱动电源。一套3MVA的逆变器外形尺寸仅为780mmx590rnmx333mm，结构紧凑，并且元器件数少、可靠性高、成本低。
有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能可靠、高效地用于300 kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100MVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在着导通损耗高、硅有效面积利用率低、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT问世以前，IGCT可望成为高功率高电压变灯鞯挠叛」β势骷弧?/p>
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