集成門極換向型晶閘管的設(shè)計(jì)

集成門極換向型晶閘管的設(shè)計(jì)

1igct導(dǎo)通系統(tǒng)簡介在目前的中壓大規(guī)模應(yīng)用中，有幾種基于主導(dǎo)地位的半導(dǎo)器主要包括晶體門、gto和igdt。隨著技術(shù)水平的不斷提高,這些傳統(tǒng)器件無論在功率容量還是在應(yīng)用復(fù)雜程度等方面都有了長足的進(jìn)展,但在實(shí)用方面還存在一些缺陷。傳統(tǒng)GTO關(guān)斷不均勻,需要笨重而昂貴的吸收電路。另外,因其門極驅(qū)動電路復(fù)雜,所需控制功率大,這就使得設(shè)計(jì)復(fù)雜,制造成本高,電路損耗大。IGBT雖無需吸收電路,但它的通態(tài)損耗大,而且可靠性不高。另外,單個(gè)IGBT的阻斷電壓較低,即使是新型的高壓IGBT也不適合所有的中高電壓領(lǐng)域,在高電壓應(yīng)用場合須串聯(lián),增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和損耗。IGCT是一種新型的電力電子器件,它將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起,再與其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接,結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn),即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能,關(guān)斷階段呈類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外,IGCT還象GTO一樣,具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn),有極好的應(yīng)用前景。2門極驅(qū)動的等效電路IGCT是GCT(門極換向型晶閘管)和集成門極驅(qū)動電路的合稱。當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),是一個(gè)象晶閘管一樣的正反饋開關(guān),其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。在關(guān)斷狀態(tài)下,GCT門-陰極pn結(jié)提前進(jìn)入反向偏置,并有效地退出工作,整個(gè)器件呈晶體管方式工作,該器件在這兩種狀態(tài)下的等效電路如圖1所示。GCT關(guān)斷時(shí),通過打開一個(gè)與陰極串聯(lián)的開關(guān)(通常是MOSFET),使p基極-n發(fā)射極反偏,從而迅速阻止陰極注入,將整體的陽極電流強(qiáng)制轉(zhuǎn)化成門極電流(通常在1μs內(nèi)),這樣便把GTO轉(zhuǎn)化成為一個(gè)無接觸基區(qū)的npn晶體管,消除了陰極發(fā)射極的正反饋?zhàn)饔?GTO也就均勻關(guān)斷,而且沒有載流子收縮效應(yīng)。這樣,它的最大關(guān)斷電流比傳統(tǒng)GTO的額定電流高出許多。由于GCT在增益接近1時(shí)關(guān)斷,因此,保護(hù)性的吸收電路可以省去。圖2所示為GTO的關(guān)斷波形。GTO需要經(jīng)過一個(gè)從導(dǎo)通到恢復(fù)阻斷的瞬態(tài)過程,正是因?yàn)橛羞@樣一個(gè)“GTO區(qū)”,GTO才需要一個(gè)很大的吸收電路來抑制再加電壓的變化dv/dt。圖3所示為3kA/4.5kVIGCT的實(shí)測關(guān)斷波形,圖中示出了晶體管的典型關(guān)斷波形。由于門極驅(qū)動電路必須在關(guān)斷過程中迅速轉(zhuǎn)移所有的陽極電流,因此IGCT設(shè)計(jì)必須采用電感相當(dāng)?shù)偷拈T極驅(qū)動電路。實(shí)際中可根據(jù)器件要求采用多層布線印刷線路板。3ct器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)前節(jié)所述GCT的基本工作原理可知,GCT的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在某些方面與GTO完全相同。在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中,為減少器件損耗,提高器件的性能,還采用了以下幾項(xiàng)技術(shù)。3.1等效層區(qū)穿通材料傳統(tǒng)的非穿通型(NPT)概念是在厚的n基區(qū)上直接擴(kuò)散形成陽極。非穿通pn結(jié)在阻斷情況下電場分布呈三角形,如圖4中曲線(1)所示。由圖4可以看出,器件總的阻斷電壓為電場在沿硅片厚度方向上的積分。因此,在材料所承受電場強(qiáng)度最大值不變的情況下,所需阻斷電壓越高,其硅片的厚度就越厚,這樣會導(dǎo)致器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗也相應(yīng)增大。采用基區(qū)穿通型設(shè)計(jì)后,在n-p+層之間引入n+緩沖層,并降低n-區(qū)摻雜濃度,由于電場被n+緩沖層阻擋,形成一個(gè)四邊形電場分布,這樣采用較薄的硅片即可達(dá)到相同的阻斷電壓,從而提高了器件的效率,降低了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。例如,在4.5kV的GCT中,采用緩沖層設(shè)計(jì)使芯片所需的厚度大約減少了40%。這樣便能相應(yīng)地降低導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。3.2民氣污染結(jié)晶性能低GCT采用了緩沖層技術(shù),而緩沖層的高電導(dǎo)率與傳統(tǒng)GTO常用的陽極短路技術(shù)不相容,因此必須采用新的替代技術(shù)。為獲得低的通態(tài)壓降,要求器件在導(dǎo)通態(tài)保持晶閘管工作方式,這就需要采用如圖1所示的正反饋晶體管對。要實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗,必須限制陽極晶體管的增益,并要求其厚度薄和摻雜濃度低。透明陽極發(fā)射極,簡稱透明發(fā)射極(TransparentEmitter)或透明陽極(TransparentAnode)是一個(gè)發(fā)射效率依賴電流密度的很薄的pn結(jié),其損耗和開通閾值電壓都很低。在小電流下,透明陽極的發(fā)射率很高,因而對GCT的觸發(fā)電流和通態(tài)門極電流要求都很低。一般情況下,GCT通態(tài)門極電流僅為GTO的1/10,這樣就減小了門極觸發(fā)功率。在另一方面,透明發(fā)射極在大電流下具有較低的注入效率,并且在關(guān)斷期間,基區(qū)中的電子可以透過透明陽極達(dá)到金屬接觸界面處復(fù)合,為載流子的快速流出提供了通道,縮短了關(guān)斷時(shí)間。3.3逆導(dǎo)型gct與gto的芯片組成對采用的問題由于現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體器件多用在電壓逆變器中,因而GCT也在結(jié)構(gòu)上與反并聯(lián)快速二極管集成。在采用緩沖層和透明陽極技術(shù)以前,GTO采用的硅本底厚度幾乎是相應(yīng)的反并聯(lián)二極管的兩倍,二者的芯片集成大大降低了二極管的性能。另外,逆導(dǎo)型GCT的二極管部分經(jīng)過質(zhì)子輻照形成非均勻的復(fù)合中心分布,這樣便能通過控制載流子的壽命分布進(jìn)而控制二極管的反向恢復(fù)特性,并能保證在反向電流逐漸減小到零的過程中,不會產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的逆導(dǎo)型GTO中,GTO和二極管共用一個(gè)p基區(qū),這樣GTO的門極電流會通過p基區(qū)流入二極管陽極。由于二極管陽極和GTO陰極電勢相等,因此這對門極電流是一種短路。逆導(dǎo)型GCT用n+區(qū)將二者隔離,從而消除了以上影響,如圖5所示。3.4緩沖層gto采用“硬驅(qū)動”門極控制可使關(guān)斷增益為1,初始導(dǎo)通增益也接近于1,GCT即可實(shí)現(xiàn)雙極晶體管的動態(tài)特性,這要求將門極單元與GCT集成,因而被稱為“IGCT”。采用透明發(fā)射極技術(shù)后,IGCT門極單元體積大約是GTO門極驅(qū)動單元的一半。同時(shí)緩沖層減少了n基區(qū)的貯存電荷,可使基區(qū)尾部電流持續(xù)時(shí)間減半(尾部電流經(jīng)門極單元排出),從而降低了對門極驅(qū)動功率的要求。緩沖層技術(shù)使得GTO很適合硬驅(qū)動。在硬驅(qū)動條件下,在電場開始加在主結(jié)上之前,陰極停止注入電子,使得關(guān)斷均勻,產(chǎn)生的熱量在器件上均勻分布。由于關(guān)斷過程中電流換向時(shí)間很短,因此要求門極電路有較低的電感。例如:用20V的門極電壓關(guān)斷1000A電流,陽極電流到門極的換向時(shí)間為1μs,則門極驅(qū)動電路的最大雜散電感可估算如下:Ls=VGdi/dt=20V1000A/μs=20Ls=VGdi/dt=20V1000A/μs=20nH(1)門極驅(qū)動電路要具有如此低的電感,通常的做法是將其與IGCT集成到一塊印刷線路板上,并盡可能地靠近。4igct的典型應(yīng)用4.1ct關(guān)斷時(shí)間偏差與GTO相比,IGCT的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是存儲時(shí)間短,因而在串聯(lián)應(yīng)用時(shí),各個(gè)IGCT關(guān)斷時(shí)間的偏差極小,其分擔(dān)的電壓會較為均衡,所以適合大功率應(yīng)用。在鐵路用100MVA(已商業(yè)化)轉(zhuǎn)換控制網(wǎng)絡(luò)的輸出級中,采用了12個(gè)IGCT,每組6個(gè)串聯(lián),VDC-link(直流中間電路電壓)額定值為10kV,輸出電流為1430A。4.2cti判斷由于牽引領(lǐng)域的廣泛需要,逆導(dǎo)IGCT發(fā)展很快,IGCT可無吸收關(guān)斷,比GTO逆變器更加緊湊。在目前已成功應(yīng)用的IGCT三相逆變器中,只需要di/dt限制電路,門極驅(qū)動電源在中心放置,進(jìn)一步減小了逆變器的體積。5igct的簡介IGCT在GTO技