IGCT及IGCT變頻器

李洪劍，王志強，余世科
（705研究所昆明分部，云南 昆明 650118）

1 引言

大功率晶閘管（SCR）在過去相當(dāng)一段時間里，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的半導(dǎo)體器件。因此，針對SCR的不足，人們又研制開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管（GTO）。用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。幾乎與此同時，電力晶體管（GTR）迅速發(fā)展了起來。

絕緣柵雙極晶體管IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極和發(fā)射極，但驅(qū)動部分卻和場效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)。IGBT的工作特點是，控制部分與場效應(yīng)晶體管相同，控制信號為電壓信號 UGE，輸人阻抗很高，柵極電流I G≈0，故驅(qū)動功率很小。而其主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流，工作頻率可達20kHz。由IGBT作為逆變器件的變頻器載波頻率一般都在10kHz以上，故電動機的電流波形比較平滑，基本無電磁噪聲。

雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍待提高和改善，而1996年出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管（IGCT）有迅速取代 GTO的趨勢。

2 IGCT

集成門極換流晶閘管（IGCT）是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的器件。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一個新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅與GTO有相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，兼有GTO和IGBT之所長，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0.5～3MVA，三電平逆變器1～6MVA；若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴至4. 5MVA，三電平擴至9MVA。目前IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的性能參數(shù)為 4.5kV／4kA，研制水平為6kV/4kA[1]。1998 年，日本三菱公司也開發(fā)了直徑為88mm的6kV/4kA的GCT晶閘管。IGCT外形圖參見圖1，圖2 是其關(guān)斷波形和損耗曲線。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

門極換流晶閘管GCT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。該圖左側(cè)是GCT，右側(cè)是反并聯(lián)二極管。IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，見圖3 （b），GCT內(nèi)部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO有重要差別的是GCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。導(dǎo)通機理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機理與GTO完全不同，在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個pnp晶體管以后再關(guān)斷，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換（即"GTO區(qū)"），所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認(rèn)為是一個基極開路、低增益pnp晶體管與門極電源的串聯(lián)。

GCT無中間區(qū)無緩沖關(guān)斷的機理在于，強關(guān)斷時可使它的陰極注入瞬時停止，不參與以后過程，改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在p基 n發(fā)射結(jié)外施加很高負(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緦魅菀墜囟?。GCT成為pnp管早于它承受全阻斷電壓的時間，而GTO卻是在SCR轉(zhuǎn)態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以GCT可像IGBT無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 緩沖層

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)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，即用較薄的硅片可達到相同的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，使通態(tài)壓降和開關(guān)損耗降低，從而得到較好的 VT-Eoff。同時采用緩沖層，使單片GCT 與二極管的組合成為可能。

2.2.2 透明陽極

為了實現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對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。透明陽極是一個很薄的pn結(jié)，其發(fā)射效率與電流有關(guān)。因為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)來達到相同的目的。采用透明陽極來代替陽極短路點，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低一個數(shù)量級。GCT的結(jié)構(gòu)與IGBT相比，因不含MOS結(jié)構(gòu)而得以簡化。

2.2.3 逆導(dǎo)技術(shù)

GCT大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管 FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個阻斷結(jié)，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。逆導(dǎo)GCT與二極管隔離區(qū)中因為有pnp結(jié)構(gòu)，其中總有一個pn結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。

2.2.4 門極驅(qū)動技術(shù)

IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號、輸出工作狀態(tài)信號。在圖1（a）中， GCT與門極驅(qū)動器相距很近（間距15cm），該門極驅(qū)動器可以容易地裝入不同的裝置中，因此該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。為了使IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅固，用門極驅(qū)動電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個自然整體，稱為環(huán)繞型IGCT（見圖1（b）），其中包括GCT門極驅(qū)動電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電路的電感進一步減小，并降低了門極驅(qū)動電路的元件數(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)動電路的成本和失效率。另外，IGCT開關(guān)過程一致性好，可以方便地實現(xiàn)串、并聯(lián)，進而擴大功率范圍。 總之，在采用緩沖層、透明陽極、逆導(dǎo)技術(shù)和門極驅(qū)動技術(shù)后，IGCT在中高壓領(lǐng)域及功率為0.5～100MVA的應(yīng)用中代替了GTO。

2.4 開通損耗和鉗位電路損耗

2.4.1 開通損耗

對di/dt的限制源于對動態(tài)開關(guān)通電時對雙極型的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)的限制?，F(xiàn)有的二極管技術(shù)與IGCT和IGBT一樣，允許的 di/dt值是給定的，并且其控制工具(方法)僅限于IGBT，其他類似晶閘管結(jié)構(gòu)的(如IGCT)只能采用外部限制的方法(如電感)。下式為電路的開通損耗

這兩個公式運用于無 di/dt吸收的IGBT和有 di/dt吸收的IGCT。

式(1)可以改寫為

公式(4)表明，IGCT的開通損耗與直流電壓成正比，與峰值電流的平方成正比，與轉(zhuǎn)換過程中的di /dt成反比。

2.4.2 鉗位電路損耗

圖4是鉗位電路的具體形式。如果我們假設(shè)直流源電容和鉗位電容都很大，那么關(guān)斷波形與圖2 相似。如果直流電壓在開關(guān)導(dǎo)通期間下降，鉗位電容上的電壓在關(guān)斷期間上升，那么會有一小部分能量返回直流電壓源，在絕大多數(shù)設(shè)計中，這一點是可以忽略的。然而在關(guān)斷時，F(xiàn)WD和IGBT或FWD和IGCT的關(guān)斷不是理想化的，他們也要發(fā)散一部分能量，這些能量對于IGBT橋式電路來講來源于源極，而對圖4來講則來自于吸收電感。

因此，在開通時，IGBT橋式電路中消耗在 IGBT上的能量與圖4中貯存在吸收電感L中的能量相等，而在關(guān)斷時實際消耗在吸收電阻上的能量因為開關(guān)上的損耗（ERR和Eoff）而減少。所以，圖4中的電感使得系統(tǒng)的效率更高，而且因為半導(dǎo)體器件上的功耗的降低使得工作頻率更高。

圖5解釋了FWD和IGCT關(guān)斷時鉗位的次序。當(dāng)在有正向電壓的情況下，器件電流下降至零，關(guān)斷損耗作用于半導(dǎo)體器件內(nèi)部，在上面典型波形中，關(guān)斷能量根據(jù)損耗發(fā)生時器件上的電壓低于或者高過指定的鉗位電壓而被分為兩部分。從圖4中可以看出，一旦鉗位二極管導(dǎo)通（即器件上的電壓大于鉗位電壓），關(guān)斷損耗都來自于鉗位電容，而不是直流聯(lián)結(jié)電容。鉗位電容又從鉗位電感那里獲得能量，鉗位電感里儲存的是公式（4）所指出的線路開通能量。這樣，大部分能量作為半導(dǎo)體器件的關(guān)斷損耗而循環(huán)使用，并未浪費在吸收電阻上。表1列出了IGBT和IGCT結(jié)構(gòu)的動態(tài)損耗分布。

3 IGCT變頻器

由于IGCT具有像IGBT那樣具有快速開關(guān)功能，像GTO那樣導(dǎo)電損耗低，特別是在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的單元中，降低了成本。IGCT采用電壓源型逆變器，與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡單，效率更高。如對4.16kV的變頻器，逆變器中需用24個高壓IGBT或60個低壓 IGBT，而使用IGCT只需要12個。 并且，由于IGCT損耗很小，所需的冷卻裝置較小，元件少，可靠性更高。

盡管IGCT變頻器不需要限制du/d t的緩沖電路，但是IGCT本身不能控制di/d t（這是IGCT的主要缺點），所以為了限制短路電流上升率，在實際電路中常串入適當(dāng)電抗，如圖6所示。整套逆變器由11個元器件組成：6個IGCT（帶集成反向二極管），1個電抗，1個鉗位二極管，1個鉗位電容和1個電阻，一套門極驅(qū)動電源。一套3MVA的逆變器外形尺寸僅為780mm ×590mm ×333mm，非常緊湊。

4 結(jié)論

IGCT損耗低、開關(guān)快速等這些優(yōu)點保證了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，逆變器功率可擴展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn)di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于實現(xiàn)短路電流保護和有源保護等。但因存在著導(dǎo)通高損耗、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應(yīng)用。因此IGCT將成為高功率高電壓變頻器的功率器件。