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1、高压变频技术,主讲人：边春元 2011年8月,内容介绍,一、功率器件概述,1、功率器件的发展概况,功率器件的发展对大功率应用领域发展的促进作用:,器件特性的改善使其开关速度得以提高，同时降低了相关损耗，器件的开关容量也随之提高； 包含门级(或栅极、基极)驱动在内的模块化趋势在一定程度上促进了电路设计的标准化。,功率器件发展史上的五次突破性发展：,一、功率器件概述（续）,硅普通晶闸管（SCR）的诞生: 1955年GE公司制造出世界上第一个硅整流管(SR)； 1957年GE公司制造出第一个硅普通晶闸管(SCR)。 由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、速度快、使用维护简单等优点，特别是SCR能以
2、微小电流控制较大的功率，因此伴随着自动控制技术的发展，电力半导体器件一诞生便从弱电控制领域进入了强电控制领域。将它用于强电自动化系统取代汞弧整流器，为变流器的固体化、静止化及无触点化奠定了基础，并获得了巨大的节能效果。发展极为迅速，出现了快速晶闸管、光控晶闸管、非对称晶闸管及双向晶闸管等派生晶闸管。它经历了50年代的萌芽生长期、60年代的工艺技术革新和品种开发期、70年代的提高可靠性和扩大应用期，如今已进入大规模生产和成熟应用期。 共同特点：换相关断、大电流、高电压、工作频率在几百Hz到一千Hz。,一、功率器件概述（续）,GTO、 GTR和MOSFET等全控型器件的出现及批量生产: 1960年
3、GE公司的Van. Liaten和Navon描述了门极关断PNPN开关，首次提出GTO的设想，经美国A. K. Jonscher、 Makintosh和Golde. Y 在理论和控制方法进行完善； 1962年美国T. A. Lougo用平板外延工艺研制出第一个GTO； 1973年，GE公司在GTO的设计制造工艺上有所突破。该公司的Wolley发明了采用扩金技术以缩短关断时间并控制关断增益，采用放大门极和叉指状渐开线的门-阴极结构以提高GTO的灵敏度和关断能力，采用放大门极二极管分流器以降低GTO关断时的门极阻抗，此后GTO才开始批量生产。 20世纪60- 70年代出现的全控型器件可简单的实现电
4、力电子设备中的变频、逆变及斩波，特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、高效化创造了条件。GTR和GTO虽具有高耐压、大电流的优点，但均属于电流型控制器件，基极和门极的输入阻抗较小，需要消除积存的载流子，所以存在开关频率仍较低（一般小于4KHz）等不足。同时，在大功率系统应用时，要求提供较大的驱动电流，常因驱动电路性能不好而损坏，因而限制了它们的应用。,一、功率器件概述（续）,IGBT、 MCT和IGCT 等双机理复合电力半导体器件的开发: 电力MOSFET虽然具有电压驱动、驱动功率小、速度性能好等优点，但限于制造技术及材料水平，短时间难以制成高耐压、大电流的器件。
5、20世纪80年代开发出了双机理复合电力半导体器件IGBT, MCT, IGCT。它们发挥了GTR、GTO以及电力MOSFET的共同优点，扬弃其缺点，这类器件的栅极为MOS结构，而输出极为GTR、GTO或SCR结构。 这些器件兼有构成它的两种器件的共同优点：高耐压、低功耗、易驱动、高频率。 现在IGBT的单管容量己超过GTR的水平，IGBT的开关频率已可与MOSFET相媲美，并己开始在电力电子设备中取代电力MSOFET、GTO和GTR。,一、功率器件概述（续）,功率集成电路（PIC）的出现: 20世纪80年代中期，半导体材料学及电力半导体器件制造工艺技术的发展和电力电子设备的发展要求，促使第四代
6、电力半导体器件功率集成电路的出现； 1981年试制成功功率集成电路（PIC），它将电力半导体器件及其驱动电路、保护电路、检测电路与外部微机和CPU连接的接口电路制造在一个封装内，经过10多年的发展，PIC己分为高压PIC（HVPIC）和智能PIC（SPIC）两大类。 PIC实现了电力电子技术与微电子技术两大半导体分支的结合，完成了“电力电子微电子”的紧密结合，实现了动力信号一体化，实现了物质流与信息流的结合，将电力电子技术推向了一个崭新的时代。,一、功率器件概述（续）,IGCT、高压IGBT和IEGT的出现: 20世纪80年代中期，人们普遍看好MCT（MOS控制晶栅管），其原因在于当时美国GE
7、公司己有产品，美国的Harris公司己可批量向市场提供这类器件。 MCT是一个MOS门的PNPN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲控制其导通和关断，与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小细胞结构，而其器件具有大量并联而匹配的单胞。它的频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一个明显的优点，且器件不存在二次击穿的问题，其dv/dt与di/dt耐量可达2000V/s与20000A/s 以上，故应用它可制成无缓冲电路的变流器。 为了使器件有较高的成品率，必须具有高纯度、均匀性好的硅片和精细的工艺技术。但经过10多年的发展和努力，由于它极低的成品率和昂贵的成本，使电力电子行业不得不另辟蹊径。于
8、是一系列的供高电压、大电流应用的新器件开始登上竞争的舞台。IGCT（集成门极换向晶闸管）、高压IGBT和IEGT（注入增强栅晶体管）的出现在某种程度上解决了MCT发展停滞不前的问题。,一、功率器件概述（续）,根据开关特性不同，可分为：,2、功率器件的分类,半控型器件：通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器件，如SCR； 全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件，如BJT、IGBT、GTO、IGCT。,根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，可分为：,电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制，如SCR； 电压控制型器件：
9、利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小，如IGBT。,一、功率器件概述（续）,根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为：,单极型器件：由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET； 单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如BJT； 双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控
10、制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。 混合型器件：由单极型和双极型两种器件组成的复合器件，如IGBT。 混合型器件又称复合型器件，综合了单极型和双极型各自的优点，利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级。,一、功率器件概述（续）,3、IGCT概述,IGCT的器件机理,IGCT：集成门极换向晶闸管IGCT （Integrated Gate-Commutated Thyristor）是由GCT（Gate Commutated turn-off Thyristor）和其门极控制电路集中成一体化的组件。也有人称之为“发射极关断晶闸管（ETO）”，实际上是关断增
11、益为1的GTO，是把MOSFET从器件内部拿到外部来的MCT。IGCT是一种用于巨型电力电子设备中的新型电力半导体器件。瑞士ABB公司和日本三菱公司合作，把三菱制造的环形门极GTO配以外加的MOSFET实现了体外MCT的功能，并把这种方案专利化。 GCT: GCT是在GTO基础上发展起来的新器件，它保留了GTO高电压、大电流、低导通压降的优点，又改善了其开关性能。,一、功率器件概述（续）,GCT采用了缓冲层设计，它使器件的通态和开关损耗可减少到原来的1/21/2.5，但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件在通态时存储的电荷； 常规的GTO采用阳极短路技术，为存储电荷的抽走提供一条通路，但阳极短路
12、和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流。 GTO有两个稳定工作状态“通”和“断”，在它们之间（开断过程中）是不稳定状态。 GCT取消阳极短路，而将阳极做成可穿透型，这样，电荷存储时间减少至1/20，后沿拖尾电流减小为原来的1/20。同时还能在同样阻断电压条件下，减少芯片厚度30%，使得导通压降进一步降低。 GCT采用一种新的低电感的触发电路，在门极20V偏置情况下，可获得4000A/S电流变化率，使得在大约1S时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流经门极流出，不通过阴极，晶闸管的PNPN四层结构暂时变为PNP晶体管的三层结构，有了稳定的中间状态，一致性好，据称可以无缓冲电路运行。,一
13、、功率器件概述（续）,由于GCT硅片厚度减少，允许在同一GCT片上做出高效的反并联续流二极管。GCT的门极关断峰值电流非常大，触发电路需要相当容量的MOSFET和相当数量的电解电容及其他元件组成，电路非常复杂，要求很高，所以一般由GCT生产厂家把门极触发及状态监视电路和GCT管芯，甚至反并联续流二极管做成一个整体，成为IGCT，通过光纤输入触发信号，输出工作状态信号。,综述： IGCT采用逆导技术可将GCT与续流二极管FWD集成在单一芯片上，采用门极驱动技术使GCT通过印刷电路版与门极驱动电路以低电感方式直接相连，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗
14、。,IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、耐压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT还像GTO一样，具有制造成本低和成品率高的特点。,一、功率器件概述（续）,1996年问世的IGCT在多个方面打破了新功率半导体器件的发展传统模式： GTO器件，从1979年的1200V/600A开始，发展到现有的6KV/6KA的水平，经历了15年； IGBT器件在1981年以6A/600V开始，到现在已发展到额定值达到4.5 KV/2000A；它们都是从牵引应用开始，随着成本的下降和额定功率的上升，逐步扩展到工业驱动领域，最后进入电力传输领
15、域。 IGCT恰恰倒转了这种趋势，它首先以4.5 KV /4KA额定值应用于电力传输领域，然后向下扩展到300A额定值，应用于中等电压驱动范围，最后在21世纪进入牵引市场。 目前IGCT最大容量，反向阻断型为4500V、4000A，逆导型为5500V、1800A。用于三电平逆变器时，输出最高交流电压为4160V，如要求更高的输出电压，比如6KV交流输出，只能采取器件直接串联。,一、功率器件概述（续）,以5500V、1800A（最大可关断阳极电流值）的逆导型IGCT为例，通态平均电流为700A，通态压降为3V，通态阳极电流上升率为530A/S，导通延迟时间小于2S，上升时间小于1S，关断延迟时间
16、小于6S，下降时间小于1S，最小通态维持时间为10S，最小断态维持时间为10S，导通每脉冲能耗小于1J，关断每脉冲能耗小于10J。内部集成的反并联续流二极管（快恢复二极管），通态平均电流为290A，通态压降为5.2V，反向恢复电流变化率小于530A/S，反向恢复电流小于780A。,IGCT的技术特点,门极硬驱动技术：采用“硬驱动”技术，GCT通过印刷电路版与门极驱动电路直接相连。,一、功率器件概述（续）,IGCT的结构：,门极驱动器装入不同的装置，GCT与门极驱动器相距很近，该结构是一种通用形式。 环绕型IGCT，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
17、置形成一个自然整体，其内包含GCT门极驱动电路所需的全部元件。 两种形式均可使门极电路的电感进一步减小（5mH）)，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。,一、功率器件概述（续）,硬驱动是指器件开通和关断时，门极驱动电压和电流有一适当高的幅值和上升率。 为了加快从IGCT门极抽出P基区存储电荷的过程，门极负电压应有接近门-阴结雪崩击穿电压值； 为了减少存储时间减少存储功耗，就要提高门极负向电流上升率达4-6kA/ s，门极电流脉冲幅值也要达到阳极关断电流（GCT关断增益约为1， GTO则为3-5），只有这样方能保证GCT互联晶体管对中的PNP管在NPN管很快熄灭后自动关断。即器件开始承受全阻断电压前，全部阳极电流在1s内换向至门极，这就要大大限制全部门极回路的总电感。例如，要关断4000A电流，门极电压为不致雪崩击穿的20V，其门极驱动最大总电感Ls应为Ls VG/(dI/dt)= 20V/ (4000A/s) =5nH。如此低的电感，除采用前述措施外，很重要的一点就是将门极驱动电路与GCT集成于一起，即IGCT。,
