集成门极换流晶闸管的优化方案

集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT）是一种新型的电子器件，它由ABB公司最先开发并投入市场。它的应用使得包括高压变频器在内的变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大的进展。IGCT是将门极换流晶闸管（GCT，改进结构的GTO）、反并联二极管和极低电感的门极驱动器集成起来构成的。它集成了许多优良的特性：具有驱动比1∶1的光触发功能、RC吸收和保护功能，有极低的导通损耗与关断损耗、通态电流大、抗辐射能力强、响应快速和定时准确等。此外，它无需吸收电路，响应快（延迟时间t_d=2～3μs，存储时间降到1μs），特别有利于器件的串联应用工况；平板压接工艺提高了可靠性，工作范围可达几百赫兹至几十千赫兹，与IGBT开关速度相近；不需要外接续流二极管，简化了装置结构；内部已集成的门极驱动电路，可保证在最低成本和最低能耗条件下达到最佳运行特性；管芯面积可达130cm²（ϕ100mm），硅片的利用率大大高于IGBT。

由于IGCT吸取了GTO和IGBT的技术经验，它利用缓冲层设计、透明阳极、逆导技术以及结的保护等技术，使得它发展极其迅速。目前生产的IGCT规格有非对称型、反向阻断型、反向导通型三种，并且已成功地用于6000V中压变频调速设备中。

1.IGCT的工作原理

IGCT由集成门极和GCT组成，其电气图形符号如图1-40所示。

在导通状态下，GCT是一个类似于SCR或GTO的正反馈晶闸管开关，其特点是通流能力强和通态压降低；在阻断状态下，门极和阴极反向偏置，并有效地退出工作，器件呈晶体管方式。该器件在这两种状态下的等效电路如图1-41所示。

图1-40 IGCT的电气图形符号

在IGCT技术中，为关断GCT，通过打开一个与阴极串联的开关（通常是P-MOSFET），使P基极与N发射结反偏，整体的阳极电流便迅速转化为门极电流，把GCT转化成一个无接触基区的PNP型晶体管，阴极发射极的正反馈作用被阻止，GCT也就均匀关断。由于IGCT关断发生在变成晶体管之后，所以无需外加du/dt限制，并且可像P-MOSFET或者IG-BT那样工作，其最大的关断电流比额定电流高出许多，保护用的吸收电路可以省去，关断增益接近于1。

图1-41 导通及关断状态下的GCT等效电路

a）导通状态 b）阻断状态

A、G、K—阳极、门极和阴极 I_A、I_G和I_K—阳极、门极和阴极电流

2.IGCT的基本特性

IGCT是GCT和集成门极驱动电路的总称，其基本工作特性也由构成它的两个主要部分GCT与二极管各自的特性决定。这些特性主要有开关特性、直流阻断能力、高频突发脉冲能力等。

（1）开关特性

图1-42a为两个逆导IGCT构成的无吸收半桥的IGCT测试电路，L_i、VD_c和R_c组成有阻尼开通缓冲电路，抑制开通时阳极电流的过冲；VD_c和C_c组成无源钳位电路来抑制电压过冲。图1-42b为IGCT₁的开关波形。通常IGCT开通时间和关断时间极短，为5～6μs，开关损耗可以忽略不计，所以其可在低通态/低频到高通态/高频的很大范围内应用。

图1—42 IGCT的测试电路与开通波形(www.xing528.com)

a)测试电路 b）开通波形

IGCT是依靠门极负电流将器件关断的，或者说在关断过程中是将阴极电流转移到门极中，于是门极负电流的幅值与阴极电流相同，关断增益为1。这样，可以在无关断缓冲电路下安全关断器件，但会造成门极负电流的瞬时值极高。图1-43为IGCT硬关断过程的波形，在关断期间，使用的门极电压为-20V，负向门极电流变化率极大，如3kA/4.SkA的器件其电流变化率为。由于IGCT的门极采用复杂的环形结构，其引线也安排在芯片周围，极低的门极内电感（约为1.SnH）也为IGCT的快速关断创造了条件。

(2)通态特性

由于IGCT具有晶闸管结构的导通特性，因此它在低的通态电压下可以有高的电流密度，即使在高的阻断电压下，亦是如此。图1-44给出了155℃下5000A电流时的通态峰值压降。

图1-43 IGCT硬关断过程的波形

图1—44 TGCT的通态特性

3．IGCT的特性参数

目前市场上的各类IGCT产品规格见表1-9，其中非对称型IGCT（ϕ91mm）的特性参数见表1-10。

表1.9 IGCT规格

（续）

表1-10 非对称型IGCT（ϕ91mm）的特性参数