IGCT是一種在大功率開關(guān)器件GTO基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的新型大功率電力電子器件。和GTO相比， IGCT的關(guān)斷時間降低了30%，功耗降低40%。IGCT不需要吸收電路，可以像晶閘管一樣導(dǎo)通，像 IGBT一樣關(guān)斷，并且具有最低的功率損耗。IGCT在使用時只需將它連接到一個20V的電源和一 根光纖上就可以控制它的開通和關(guān)斷。由于IGCT設(shè)計理想，使得IGCT的開通損耗可以忽略不計，再加上它的低導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無法滿足的高頻率下運行。 概述 一個理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性:在截止?fàn)顟B(tài)時，能承受較高的電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時，能承受大電流并具有很低的壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時，開/關(guān)速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時還應(yīng)具有全控功能。 自從50年代硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈的努力。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶體管和功率MOSFET問世，功率器件實現(xiàn)了場控功能，打開了高頻應(yīng)用的大門。80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管（IGBT）問世，它綜合了功率MOSFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵了人們對綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件-MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率器件研究工作的重點主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、MOS門控晶閘管以及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。 大功率器件及其發(fā)展 門極關(guān)斷晶閘管（GTO） 大功率晶閘管（SCR）在過去相當(dāng)一段時間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件。因此，針對SCR的缺點，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點上，并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。 用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，故仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，電力晶體管（GTR）迅速發(fā)展起來，使GTO晶閘管相形見綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地位。 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E），但驅(qū)動部分卻和場效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)。 IGBT的工作特點是：控制部分與場效應(yīng)晶體管相同，控制信號為電壓信號UGE，輸人阻抗高，柵極電流IG≈0，驅(qū)動功率很小。而其主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流輸入。此外，其工作頻率可達(dá)20kHz。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10kHz以上，故電動機的電流波形比較平滑，基本無電磁噪聲。 雖然硅雙極型及場控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷提高和改善，近年來出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管（IGCT）可望迅速地取代GTO。 集成門極換流晶閘管 （IGCT） 集成門極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它是GTO和IGBT相互取長補短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0.5M～3MVA，三電平逆變器1M～6MVA。若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴至4.5MVA，三電平擴至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系列產(chǎn)品。目前，IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4.5kV／4kA，最高研制水平為6kV／4kA。1998年，日本三菱公司開發(fā)了直徑為88mm的6kV／4kA的GCT晶閘管。 IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理 IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內(nèi)部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO的重要差別是GCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。其導(dǎo)通機理與GTO一樣，但關(guān)斷機理與GTO完全不同。在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以，它無外加du／dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即"GTO區(qū)"，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du／dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認(rèn)為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)。 GCT無中間區(qū)、無緩沖關(guān)斷的機理在于，強關(guān)斷時可使它的陰極注入瞬時停止，不參與以后過程。改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在P基N發(fā)射結(jié)外施加很高負(fù)電壓，使陽極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移（或換向）至門極（門極換向晶閘管即由此得名），不活躍的NPN管一停止注入，PNP管即因無基極電流容易關(guān)斷。GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時間，而GTO卻是赟CR轉(zhuǎn)態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以GCT可像IGBT無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。 IGCT的關(guān)鍵技術(shù) （1）緩沖層 在傳統(tǒng)GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型（PT）結(jié)構(gòu)，與非穿通型（NPT）結(jié)構(gòu)相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約30%。同理，在GCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達(dá)到相同的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關(guān)損耗，可得到較好的VT-Eoff。同時，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。 （2）透明陽極 為了實現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對陽極晶體管的增益加以限制，因而要求陽極的厚度要薄，濃度要低。透明陽極是一個很薄的PN結(jié)，其發(fā)射效率與電流有關(guān)。因為電子穿透該陽極時就像陽極被短路一樣，因此稱為透明陽極。傳統(tǒng)的GTO采用陽極短路結(jié)構(gòu)來達(dá)到相同目的。采用透明陽極來代替陽極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低一個數(shù)量級。GCT的結(jié)構(gòu)與IGBT相比，因不含MOS結(jié)構(gòu)而從根本上得以簡化。 （3）逆導(dǎo)技術(shù) GCT大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個阻斷結(jié)，GCT的P基區(qū)與二極管的陽極相連，這樣在GCT門極和二極管陽極間形成電阻性通道。逆導(dǎo)GCT與二極管隔離區(qū)中因為有PNP結(jié)構(gòu)，其中總有一個PN結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。 （4）極驅(qū)動技術(shù) IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。GCT與門極驅(qū)動器相距很近（間距15cm），該門極驅(qū)動器可以容易地裝人不同的裝置中，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。為了使IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅固，用門極驅(qū)動電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個自然整體，稱為環(huán)繞型IGCT，其中包括GCT門極驅(qū)動電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電路的電感進(jìn)一步減小，并降低了門極驅(qū)動電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和內(nèi)部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動電路的成本和失效率。所以說，IGCT在實現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT開關(guān)過程一致性好，可以方便地實現(xiàn)串、并聯(lián)，進(jìn)一步擴大功率范圍。 總之，在采用緩沖層、透明陽極、逆導(dǎo)技術(shù)和門極驅(qū)動技術(shù)后，IGCT從GTO中脫穎而出，在所有中高壓領(lǐng)域及功率為0.5M～100MVA的應(yīng)用中代替了GTO。 IGCT變頻器 低壓IGBT和高壓IGBT在高電壓變頻器中都采用。IGBT具有快速的開關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且需要許多IGBT復(fù)雜地串聯(lián)在一起。對低壓IGBT來講，高壓IGBT串聯(lián)的數(shù)量相對要少一些，但導(dǎo)電損耗卻更高。元件總體數(shù)量增加使變頻器可靠性降低、柜體尺寸增大、成本提高。因此高壓、大電流變頻調(diào)速器在IGBT和GTO成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，有了簡潔的方案-IGC。這個優(yōu)化的技術(shù)包含了對GTO的重新設(shè)計，使其具有重要的設(shè)計突破。新的IGCT引進(jìn)了快速、均衡換流和內(nèi)在的低損耗，主要的設(shè)計性能含有可靠的陽極設(shè)計來達(dá)到快速泄流、低損耗薄型硅晶片使切換快速以及使用大功率半導(dǎo)體的集成型門驅(qū)動器。 由于IGCT象IGBT那樣具有快速開關(guān)功能，象GTO那樣導(dǎo)電損耗低，在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的單元中,降低了成本。IGCT采用電壓源型逆變器，與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡單，效率更高。對于4.16kV的變頻器，逆變器中需要24個高壓IGBT，如使用低壓IGBT，則需60個，而同類型變頻器若采用IGCT，則只需12個。 優(yōu)化的技術(shù)只需更少的元件，相同電壓等級的變頻器采用IGCT的數(shù)量只需低壓IGBT的五分之一。并且，由于IGCT損耗很小，所需的冷卻裝置較小，因而內(nèi)在的可靠性更高。更少的元件還意味著更小的體積。因此，使用IGCT的變頻器比使用IGBT的變頻器簡潔、可靠性高。 盡管IGCT變頻器不需要限制du/dt的緩沖電路，但是IGCT本身不能控制di/dt（這是IGCT的主要缺點），所以為了限制短路電流上升率，在實際電路中常串入適當(dāng)電抗。整套逆變器由11個元器件組成：6個IGCT（帶集成反向二極管），1個電抗，1個鉗位二極管，1個鉗位電容和1個電阻，一套門極驅(qū)動電源。一套3MVA的逆變器外形尺寸僅為780mmx590rnmx333mm，結(jié)構(gòu)緊湊，并且元器件數(shù)少、可靠性高、成本低。 有效硅面積小、低損耗、快速開關(guān)這些優(yōu)點保證了IGCT能可靠、高效地用于300 kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，逆變器功率可擴展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn)di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于實現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等。但因存在著導(dǎo)通損耗高、硅有效面積利用率低、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應(yīng)用。因此在大功率MCT問世以前，IGCT可望成為高功率高電壓變燈。