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1、IGCTIGCT的特点及其应用的特点及其应用学号：0000000000姓名：000002021/8/1411、导言、导言在目前的中电压大功率应用领域 ,占主导地位的功率半导体器件主要有晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等,这些传统的功率器件在实用方面 ,都存在一些缺陷。GTO在一个硅片上集成了数千个分离开关单元。在中电压下，GTO呈现很小的通态损耗和合理的关断损耗。然而，由于开关的不均匀，GTO需外加缓冲电路来维持工作。这些缓冲电路占用了整个设备的大部分体积，是引起设计复杂、成本高、损耗大的主要原因。2021/8/142相反，IGBT开关均匀，不需要缓冲电路，但
2、通态损耗较大，而且用于中电压电路时，必须将低压IGBT串联使用，这样大大增加了系统的复杂性和损耗，同时还降低了系统的可靠性。在90年代中期，ABB科研人员通过优化门级极驱动单元和器件外壳设计，采用集成门极等技术，大大降低了GTO驱动电路的要求，实现了GTO到HD-GTO的技术飞跃。但HD-GTO的通态损耗比较大，研究人员就借鉴了IGBT在向中，高电压发展过程中所积累的各种降损耗技术，对HD-GTO2021/8/143进行了结构优化，并将它与其集成的硬驱动门控单元一起命名为IGCT，集成门极换流晶闸管。综上所述，IGCT同时具有GTO的导通特性和IGBT的开关特性，特点是大电流、高电压、开关频率
3、高、高可靠性、结构紧凑和低损耗，性能明显优于目前广泛使用的GTO和IGBT器件。2021/8/144KIRa1100-45 IGCT2021/8/1453000A/6000V IGCT2021/8/14610KV IGCT2021/8/1472 2、IGCTIGCT的基本结构及新技术的基本结构及新技术IGCT主要由主开关器件GTC及其相应的集成门极驱动单元所组成。GTC是由GTO演变而来，引入了缓冲层、阳极透明发射极和逆导结构。其核心器件GTC如图1所示的剖面结构。2021/8/1482.1 2.1 缓冲层结构缓冲层结构传统的非穿通型概念是在厚的N基区上直接扩散形成阳极。非穿通PN结在阻断情况
4、下电场分布呈三角形，如图2中的曲线1所示.由图2可以看出，器件总的阻断电压为电场在沿硅片厚度方向上的积分。因此，在材料所承受电场强度最大值不变的情况下，所需阻断电压越高，其硅片就越厚。这样会导致器件的导通损耗和开关损耗也相应增大。2021/8/149采用基区穿通型设计后，在 层之间引入 缓冲层并降低 区掺杂浓度。由于电场被 缓冲层阻挡，形成一个四边形电场分布（图2中曲线2所示），这样采用较薄的硅片即可达到相同的阻断电压，从而提高了器件的效，降低了通态损耗和开关损耗。2021/8/14102021/8/14112.2 2.2 透明发射极透明发射极GTC采用了缓冲层技术，而缓冲层的高电导率与传统G
5、TO常用的阳极短路技术不相容，因此必须采用新的替代技术。为了实现低通态压降，要求处于导通状态的器件保持为晶闸管工作方式采用。IGCT采用了很薄的阳极发射区，关断期间阳极电压一旦建立，电子便能通过发射极排出。部分金属电极界面处复合，而不注入空穴，此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增益，从而大大提高了门极触发灵敏度，缩短了关断时间。图3给出了导通态和阻断态的等效电路。2021/8/14122021/8/14132.3 逆导结构逆导结构 现有的IGCT主要用于电压源逆变器，因而在主开关GCT的单片上集成了一个反并联续流三极管，如图1所示。 采用PNP结构将二极管和GCT的阻断结隔离
6、，不管IGCT处于何种工作状态，此结构中总有一个PN结反偏。从而阻断了GCT门极与二极管阳极之间的电流通路，解决了两者之间的隔离问题。逆导型GCT的二极管部分经过质子辐照形成非均匀的复合中心分布 ，这样便能通过控制载流子的寿命分布而控制二极管的反向恢复特性；并能保证在反向电流逐渐减小到零的过程中，不会产生断流现象。2021/8/14142.4 2.4 门极硬驱动的集成门极硬驱动的集成 由于关断过程中电流换向的时间很短，要求门极电路有较低的电感。因此采用新型封装技术，将门极驱动和GCT集成到一块印刷线路板上，从而降低线路的电感，也因此被称为IGCT。 采用透明发射极技术之后，IGCT门极单元体积
7、大约是GTO门极单元的一半。同时其基区尾部电流持续时间减半，从而降低了对门极功率驱动的要求，电路损耗减小。2021/8/14153 IGCT3 IGCT的工作原理的工作原理 导通状态下的IGCT是一个象GTO一样的正反馈晶闸管开关，其特点是通过电流能力强和通态压降低。关断时的IGCT门极和阴极反向偏置，能快速有效地退出工作，器件呈晶体管工作方式。该器件在这两种状态下的等效电路由图3给出其中 、 、 分别为阳极、门极和阴极电流。由于IGCT关断发生在变成晶体管之后，所以无须外加dv/dt限制，并且可象MOSFET或者IGBT那样工作而无须吸收电路。2021/8/14164 IGCT4 IGCT的
8、性能特点的性能特点l开关损耗低 开关损耗低的一个优点就是可以任意选择开关频率,以满足最后应用的需要。以前功率设备在额定电流下只能工作在250Hz以内，而IGCT的工作频率可以达到这个速度的4倍。例如，在电机传动系统中，如选取更快的开关速度，将可以提高系统的效率。另一方面，如对IGCT选用较低的开关速度，逆变器系统的效率将有所提高，同时损耗更低。2021/8/1417l辅助电路简化 GCT的独特特性在于其无需缓冲电路也可以工作，这对设计来说是非常有利的。无缓冲电路的逆变器损耗低、结构紧凑、所用的元件更少、可靠性更好。GCT结构中集成了续流二极管，使得以IGCT为基础的设备得以简化。2021/8/
9、1418l门极驱动功率低 GTO采用传统的阳极短路结构来实现通态压降和低关断损耗，缺导致了门极触发电流的增加。IGCT采用的透明阳极发射技术使触发电流和后沿电流很小，总的通态门极电流仅为GTO的1/10，大大减小了门极触发几率2021/8/1419l存储时间短，可靠性高 GCT器件与大规模反并联二极管的集成不但可以减小存储时间,而且使关断时间的绝对值和离散性大为减小，使IGCT可以安全地应用于中高压串联。如果发生过电流失效，器件烧毁使其自身关断，而不会像IGBT那样会对邻近的元件造成危险，加强了整体电路的安全性。2021/8/1420l器件成本低 利用IGCT技术可以使功率控制装置成本降低30%以上。GCT可采用现有GTO的生产工艺，GCT这样的成本与GTO晶闸管的相当。GCT的模拟设计较简便、成本更低，能加速系统的发展。同时，IGCT的高集成化使得功率元件可减少50%，并且减少了走线和互连。2021/8/1421部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
