IGCT及IGCT变频器

IGCT 及IGCT 变频器 1 引言 大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。因此，针对SCR 的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。 绝缘栅双极晶体管IGBT 是MOSFET 和GTR 相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。IGBT 的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。而其主电路部分则与GTR 相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达 20kHz。由 IGBT 作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz 以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。 虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而 1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO 的趋势。 2 IGCT 集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT 集成于一个整体形成的器件。门极换流晶闸管GCT 是基于 GTO 结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量 0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至 4. 5MVA，三电平扩至 9MVA。目前 IGCT 已经商品化，ABB公司制造的IGCT 产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm 的6kV/4kA 的GCT 晶闸管。IGCT 外形图参见图1，图 2 是其关断波形和损耗曲线。 1 结构与工作原理 门极换流晶闸管GCT 的结构示意图如图 3（a）所示。该图左侧是GCT，右侧是反并联二极管。IGCT 与GTO 相似，也是四层三端器件，见图 3 （b），GCT 内部由成千个 GCT 组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO 有重要差别的是GCT 阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替 GTO 的短路阳极。导通机理与GTO 完全一样，但关断机理与GTO 完全不同，在GCT 的关断过程中，GCT 能瞬间从导通转到...