中心議題：
- 介紹IGCT門極驅動電路的原理
- 分析IGCT門極驅動電路的結構
解決方案：
- 光控接口采用標準元器件
- 不使用關斷緩沖電路，獲得穩(wěn)定的和低損耗的高關斷能力
前 言
在電力大功率應用領域中，對理想的功率半導體器件有如下特性要求:電流容量大、開關速度快、開關頻率高、結構緊湊、阻斷電壓高、損耗低、可靠性高、成本低。但在實際中，由于技術水平的局限，許多功率半導體器件如SCR、GTO、IGBT，雖有很大進展，但在實際應用方面仍存在一些缺陷。在激烈的市場競爭下，ABB半導體公司推出了一種可以滿足這些要求的新型半導體功率開關器件一集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor)簡稱IGCT。它是做了重大改進的GTO，反并聯(lián)了二極管以及集成門極驅動電路，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接。
IGCT的簡單工作原理
IGCT由集成門極驅動電路和GCT組成，其導通與普通GTO一樣，由于兩晶體管中每一管集電極電流同時就是另一管基極電流，故形成強烈正反饋而使兩者飽和導通，因而具有攜帶電流能力強和通態(tài)壓降低的特點；關斷狀態(tài)下，GCT門極-陰極PN結提前進入反向偏置，并有效地退出工作，整個器件呈晶體管方式工作，因此，在IGCT關斷以前，已從晶閘管結構轉換為晶體管結構。
當門極電壓反偏時，阻止陰極注入電流，全部陽極電流瞬間(1μs)強制轉化為門極電流，像一個失去陰極正反饋作用的NPN晶體管，陽極電流從門極均勻流出，即瞬間從導通態(tài)轉變?yōu)樽钄鄳B(tài)(而GTO在導通態(tài)和阻斷態(tài)之間有一個過渡態(tài)) 。如想去掉過渡的GTO區(qū)而關斷，或者說使器件在晶體管模式下關斷，就必需在P 基N 發(fā)射結外施很高的負電壓，使陽極電流很快由陰極轉移(或換向) 至門極(門極換向晶閘管即由此得名) ，也就是在陽極PNP晶體管實現(xiàn)前，陰極的NPN晶體管已停止發(fā)射。綜上所述，GCT開通瞬時處于NPN 體管狀態(tài);導通時為晶閘管狀態(tài);關斷瞬間處于PNP晶體管狀態(tài);截止時也為PNP晶體管狀態(tài)。
IGCT門極驅動電路
a.門極驅動單元框圖
門極驅動單元方框圖如圖1所示。
圖1 門極驅動單元方框圖
b.光接口
光控接口采用在工業(yè)生產中廣泛使用的標準元器件，它由Agilent技術生產的HFBR系列，推薦的標準型號光纖是1mm POF(塑料光纖) ，既經(jīng)濟又便于使用。對于超過15m的長距離推薦使用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 ，對寬度≤400ns的光信號沒有響應。
光發(fā)射器：Agilent HFBR21528型；光輸出功率PonsF>-19dBm；光噪聲功率PoffsF<-50dBm。
c.IGCT的門極硬驅動原理
硬驅動開通
開通脈沖通過圖2的開通電路產生。先閉合V1，V2，V3，在L1，L2中建立起脈沖電流，當電流達到一定幅值后，先斷開V2，然后再斷開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 開通脈沖產生圖
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在運行溫度范圍內可靠而均勻導通。因此，硬驅動原理有助于IGCT開通時的可靠和穩(wěn)定性。陽極電流的di/dt也可以相應提高。從而減小di/dt 限制電抗器的尺寸和費用。
IGCT開通之后陽極電流不會馬上流通。在電流源逆變器中二極管的關斷有時會延遲電流換向進入工作中的IGCT。開通脈沖的第二部分設計符合換向的要求。開通脈沖產生之前先斷開圖4中的開關V6。
圖3 開通脈沖電流波形
硬驅動關斷
硬驅動關斷如圖4所示電路，當將V6 開通時，電容C 對門極反向放電，將IGCT關斷。由于電路的極低電感(5 到15nH 取決于IGCT 的型號)和大電容器組，IGCT對門2陰極端的電磁噪音不敏感。與IGCT相比較，傳統(tǒng)的GTO驅動裝置大約有200 nH的電感和更小的電容器組。
圖4 斷態(tài)和關斷電路
通態(tài)
當發(fā)出開通脈沖時建立起通態(tài)門極電流如圖5所示。通過電流反饋控制V4斬波，將門極電流控制在一定的水平上，V4 開關頻率可達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)門極驅動原理圖
斷態(tài)時的門極驅動
通過閉合圖4中的V6，整體的陽極電流在GCT開始建立陽極電壓之前從陰極換流至門極。在此之前，通過斷開圖5中的V5關斷通態(tài)門極電流。因此，可以避免著名的GTO效應，例如陰極的擠流效應和關斷過程的電流傳導不均勻。同時不使用關斷緩沖電路就可獲得穩(wěn)定的和低損耗的高關斷能力。IGCT關斷后，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處于可靠關斷狀態(tài)。
結 語
IGCT是在傳統(tǒng)GTO技術基礎上發(fā)展起來的，具有GTO的制造成本低，成品率高的優(yōu)點;又具有IGBT的優(yōu)點:關斷均勻，開關速度快，通態(tài)損耗低，對散熱要求不高;門極驅動功率小，不須保護性的吸收電路。IGCT將GTO技術與現(xiàn)代功率晶體管IGBT的優(yōu)點集于一身，由于IGCT在大功率電力電子應用中公認的重要性，目前已開始在世界范圍內掀起了對IGCT器件技術研究的熱潮。
