中心議題：
- 介紹IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路的原理
- 分析IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)
解決方案：
- 光控接口采用標(biāo)準(zhǔn)元器件
- 不使用關(guān)斷緩沖電路，獲得穩(wěn)定的和低損耗的高關(guān)斷能力
前 言
在電力大功率應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)理想的功率半導(dǎo)體器件有如下特性要求:電流容量大、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)頻率高、結(jié)構(gòu)緊湊、阻斷電壓高、損耗低、可靠性高、成本低。但在實(shí)際中，由于技術(shù)水平的局限，許多功率半導(dǎo)體器件如SCR、GTO、IGBT，雖有很大進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用方面仍存在一些缺陷。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，ABB半導(dǎo)體公司推出了一種可以滿足這些要求的新型半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件一集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor)簡(jiǎn)稱IGCT。它是做了重大改進(jìn)的GTO，反并聯(lián)了二極管以及集成門極驅(qū)動(dòng)電路，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接。
IGCT的簡(jiǎn)單工作原理
IGCT由集成門極驅(qū)動(dòng)電路和GCT組成，其導(dǎo)通與普通GTO一樣，由于兩晶體管中每一管集電極電流同時(shí)就是另一管基極電流，故形成強(qiáng)烈正反饋而使兩者飽和導(dǎo)通，因而具有攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低的特點(diǎn)；關(guān)斷狀態(tài)下，GCT門極-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，因此，在IGCT關(guān)斷以前，已從晶閘管結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為晶體管結(jié)構(gòu)。
當(dāng)門極電壓反偏時(shí)，阻止陰極注入電流，全部陽(yáng)極電流瞬間(1μs)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為門極電流，像一個(gè)失去陰極正反饋?zhàn)饔玫腘PN晶體管，陽(yáng)極電流從門極均勻流出，即瞬間從導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄鄳B(tài)(而GTO在導(dǎo)通態(tài)和阻斷態(tài)之間有一個(gè)過(guò)渡態(tài)) 。如想去掉過(guò)渡的GTO區(qū)而關(guān)斷，或者說(shuō)使器件在晶體管模式下關(guān)斷，就必需在P 基N 發(fā)射結(jié)外施很高的負(fù)電壓，使陽(yáng)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) ，也就是在陽(yáng)極PNP晶體管實(shí)現(xiàn)前，陰極的NPN晶體管已停止發(fā)射。綜上所述，GCT開(kāi)通瞬時(shí)處于NPN 體管狀態(tài);導(dǎo)通時(shí)為晶閘管狀態(tài);關(guān)斷瞬間處于PNP晶體管狀態(tài);截止時(shí)也為PNP晶體管狀態(tài)。
IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路
a.門極驅(qū)動(dòng)單元框圖
門極驅(qū)動(dòng)單元方框圖如圖1所示。
圖1 門極驅(qū)動(dòng)單元方框圖
b.光接口
光控接口采用在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)元器件，它由Agilent技術(shù)生產(chǎn)的HFBR系列，推薦的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)光纖是1mm POF(塑料光纖) ，既經(jīng)濟(jì)又便于使用。對(duì)于超過(guò)15m的長(zhǎng)距離推薦使用200μm的HCS光纖(硬包層石英光纖) 。光接收器:Agilent HFBR22528型，光輸入功率Poncs>- 21dBm(1 mm POF) ， 光噪聲功率Poffcs <- 40dBm，光脈沖寬度門檻tGLITCH≤400ns ，對(duì)寬度≤400ns的光信號(hào)沒(méi)有響應(yīng)。
光發(fā)射器：Agilent HFBR21528型；光輸出功率PonsF>-19dBm；光噪聲功率PoffsF<-50dBm。
c.IGCT的門極硬驅(qū)動(dòng)原理
硬驅(qū)動(dòng)開(kāi)通
開(kāi)通脈沖通過(guò)圖2的開(kāi)通電路產(chǎn)生。先閉合V1，V2，V3，在L1，L2中建立起脈沖電流，當(dāng)電流達(dá)到一定幅值后，先斷開(kāi)V2，然后再斷開(kāi)V3，電感中的電流換流至門極端子，脈沖電流波形如圖3所示。
圖2 開(kāi)通脈沖產(chǎn)生圖
由于門極電路的電感很低，門極電流的上升極快，這樣就保證IGCT在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)可靠而均勻?qū)āＲ虼耍豺?qū)動(dòng)原理有助于IGCT開(kāi)通時(shí)的可靠和穩(wěn)定性。陽(yáng)極電流的di/dt也可以相應(yīng)提高。從而減小di/dt 限制電抗器的尺寸和費(fèi)用。
IGCT開(kāi)通之后陽(yáng)極電流不會(huì)馬上流通。在電流源逆變器中二極管的關(guān)斷有時(shí)會(huì)延遲電流換向進(jìn)入工作中的IGCT。開(kāi)通脈沖的第二部分設(shè)計(jì)符合換向的要求。開(kāi)通脈沖產(chǎn)生之前先斷開(kāi)圖4中的開(kāi)關(guān)V6。
圖3 開(kāi)通脈沖電流波形
硬驅(qū)動(dòng)關(guān)斷
硬驅(qū)動(dòng)關(guān)斷如圖4所示電路，當(dāng)將V6 開(kāi)通時(shí)，電容C 對(duì)門極反向放電，將IGCT關(guān)斷。由于電路的極低電感(5 到15nH 取決于IGCT 的型號(hào))和大電容器組，IGCT對(duì)門2陰極端的電磁噪音不敏感。與IGCT相比較，傳統(tǒng)的GTO驅(qū)動(dòng)裝置大約有200 nH的電感和更小的電容器組。
圖4 斷態(tài)和關(guān)斷電路
通態(tài)
當(dāng)發(fā)出開(kāi)通脈沖時(shí)建立起通態(tài)門極電流如圖5所示。通過(guò)電流反饋控制V4斬波，將門極電流控制在一定的水平上，V4 開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)60kHz～70kHz。通態(tài)門極電流參考值由環(huán)境溫度控制，環(huán)境溫度低，參考電流大，反之則小。
圖5 通態(tài)門極驅(qū)動(dòng)原理圖
斷態(tài)時(shí)的門極驅(qū)動(dòng)
通過(guò)閉合圖4中的V6，整體的陽(yáng)極電流在GCT開(kāi)始建立陽(yáng)極電壓之前從陰極換流至門極。在此之前，通過(guò)斷開(kāi)圖5中的V5關(guān)斷通態(tài)門極電流。因此，可以避免著名的GTO效應(yīng)，例如陰極的擠流效應(yīng)和關(guān)斷過(guò)程的電流傳導(dǎo)不均勻。同時(shí)不使用關(guān)斷緩沖電路就可獲得穩(wěn)定的和低損耗的高關(guān)斷能力。IGCT關(guān)斷后，圖4中的V6繼續(xù)處于閉合狀態(tài)，門極和陰極之間有20V反向電壓，使IGCT處于可靠關(guān)斷狀態(tài)。
結(jié) 語(yǔ)
IGCT是在傳統(tǒng)GTO技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有GTO的制造成本低，成品率高的優(yōu)點(diǎn);又具有IGBT的優(yōu)點(diǎn):關(guān)斷均勻，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)損耗低，對(duì)散熱要求不高;門極驅(qū)動(dòng)功率小，不須保護(hù)性的吸收電路。IGCT將GTO技術(shù)與現(xiàn)代功率晶體管IGBT的優(yōu)點(diǎn)集于一身，由于IGCT在大功率電力電子應(yīng)用中公認(rèn)的重要性，目前已開(kāi)始在世界范圍內(nèi)掀起了對(duì)IGCT器件技術(shù)研究的熱潮。
