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电力电子器件的最新发展趋势

2012-03-24 11:17
科技潮人
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  3.新型GTO器件-集成门极换流晶闸管

  当前已有两种常规GTO的替代品:高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件,与常规GTO晶闸管相比,它具有许多优良的特性,例如,不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统(包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等)总的功率损耗低等。

  在上述这些特性中,优良的开通和关断能力是特别重要的方面,因为在实际应用中,GTO的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。众所周知,GTO的关断能力与其门极驱动电路的性能关系极大,当门极关断电流的上升率(diGQ/dt)较高时,GTO晶闸管则具有较高的关断能力。一个4.5kV/4kA的IGCT与一个4.5kV/4kA的GTO的硅片尺寸类似,可是它能在高于6kA的情况下不用缓冲电路加以关断,它的diGQ/dt高达6kA/μs。对于开通特性,门极开通电流上升率(diG/dt)也非常重要,可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。IGCT之所以具有上述这些优良特性,是因为在器件结构上对GTO采取了一系列改进措施。图1是IGCT管饼和芯片的外形照片,芯片的基本图形和结构与常规GTO类似,但是它除了采用了阳极短路型的逆导GTO结构以外,主要是采用了特殊的环状门极,其引出端安排在器件的周边,特别是它的门、阴极之间的距离要比常规GTO的小得多, 所以在门极加以负偏压实现关断时, 门、阴极间可立即形成耗尽层, 如图2所示。这时,从阳极注入基区的主电流,则在关断瞬间全部流入门极, 关断增益为1, 从而使器件迅速关断。不言而喻, 关断IGCT时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流, 这就要求包括IGCT门阴极在内的门极驱动回路必须具有十分小的引线电感。实际上,它的门极和阴极之间的电感仅为常规GTO的1/10。

  IGCT的另一个特点是有一个极低的引线电感与管饼集成在一起的门极驱动器。IGCT用多层薄板状的衬板与主门极驱动电路相接。门极驱电路则由衬板及许多并联的功率MOS管和放电电容器组成。包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO的1/100,表1是IGCT的电特性参数。

  目前,4.5kV (1.9kV/2.7kV 直流链)及 5.5kV (3.3kV直流链)、 275A<Itgqm<3120A的IGCT已研制成功。

  有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能可靠、高效率地用于300 kVA~10MVA变流器,而不需要串联或并联。在串联时,逆变器功率可扩展到100MVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性,如能实现di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在着导通高损耗、硅有效面积低利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点,限制了高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT未问世以前,IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。

  二、IGBT模块的最新发展

  1.高功率沟槽栅结构IGBT(Trench IGBT) 模块

  当今高功率IGBT模块中的IGBT元胞通常多采用沟槽栅结构IGBT。与平面栅结构相比,沟槽栅结构通常采用1μm加工精度,从而大大提高了元胞密度。由于门极沟的存在,消除了平面栅结构器件中存在的相邻元胞之间形成的结型场效应晶体管效应,同时引入了一定的电子注入效应,使得导通电阻下降。为增加长基区厚度、提高器件耐压创造了条件。所以近几年来出现的高耐压大电流IGBT器件均采用这种结构。

  1996年日本三菱和日立公司分别研制成功3.3kV/1.2kA 巨大容量的IGBT模块。它们与常规的GTO相比,开关时间缩短了20%,栅极驱动功率仅为GTO的1/1000。1997年富士电机研制成功1kA/2.5kV平板型IGBT,由于集电、发射结采用了与GTO类似的平板压接结构,采用更高效的芯片两端散热方式。特别有意义的是,避免了大电流IGBT模块内部大量的电极引出线,提高了可靠性和减小了引线电感,缺点是芯片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流IGBT模块也可望成为高功率高电压变流器的优选功率器件。

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