1.5.1 晶閘管類功率半導(dǎo)體器件

在功率半導(dǎo)體開關(guān)器件中，晶閘管是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件，其最大電流額定值達(dá)到8kA，電壓額定值可達(dá)12kV。國外目前已能在直徑100mm的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)8kV/4kA的晶閘管。2005年英國Dynex公司采用1000Ω·cm、厚度為2mm的硅片，制作出25℃時(shí)雪崩擊穿電壓為16～17kV的晶閘管實(shí)驗(yàn)樣品。

晶閘管改變了整流管“不可控”的整流特性，為方便地調(diào)節(jié)輸出電壓提供了條件。但其門極僅能控制晶閘管導(dǎo)通，不能使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，只有借助將陽極電流減小至維持電流以下或陰、陽極間電壓反向來關(guān)斷晶閘管。在整流電路中，交流電源的負(fù)半周自然會(huì)關(guān)斷晶閘管，但在直流電路中，要想關(guān)斷晶閘管必須設(shè)置能給其施加反向電壓的換向電路才行，這給應(yīng)用帶來很大麻煩。一種通過門極控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的晶閘管——門極關(guān)斷GTO晶閘管應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展，目前市場上已有6kV/6kA，頻率1kHz的GTO晶閘管，研制水平可達(dá)8kV/8kA。GTO晶閘管存在的缺陷是，門極驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、di/dt和dv/dt的耐量較低，安全工作區(qū)（Safe Operating Area，SOA）較小，以及在工作時(shí)需要一個(gè)龐大的吸收（Snubber）電路等。針對GTO晶閘管的上述缺陷，一種硬關(guān)斷晶閘管類開關(guān)器件——IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）被研制出來。與常規(guī)的GTO晶閘管相比，IGCT具有不用緩沖電路、存儲(chǔ)時(shí)間短、開通能力強(qiáng)、關(guān)斷門極電荷少及系統(tǒng)（包括所有器件和外圍器件）總功耗小等優(yōu)點(diǎn)。IGCT芯片的基本圖形和結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO晶閘管類似，但是它除了采用了陽極短路型的逆導(dǎo)GTO晶閘管結(jié)構(gòu)以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門極，其引出端處于器件的周邊，特別是其門、陰極之間的阻抗要比常規(guī)GTO晶閘管的小得多，所以在門極加以負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)，門、陰極間可立即形成耗盡層（見圖1.10）。此時(shí)從陽極注入基區(qū)的主電流可在關(guān)斷瞬間全部流入門極，關(guān)斷增益為1，從而使器件迅速關(guān)斷。不言而喻，關(guān)斷IGCT時(shí)需要提供與主電流相等的瞬時(shí)關(guān)斷電流，這就要求包括IGCT門、陰極在內(nèi)的門極驅(qū)動(dòng)電路的引線電感十分小。

圖1.10 門極關(guān)斷時(shí)，GTO晶閘管和IGCT門、陰極區(qū)耗盡層示意圖

IGCT的另一個(gè)重要特點(diǎn)是有一個(gè)引線電感極低的與管殼集成在一起的門極驅(qū)動(dòng)器，圖1.11是其門極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物照片。圖中門極驅(qū)動(dòng)器與IGCT管殼之間的距離只有15mm左右，包括IGCT及其門極驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO晶閘管電路的1%左右。其改進(jìn)結(jié)構(gòu)之一稱為門極換向晶閘管（SGCT），兩者特性相似，主要應(yīng)用于電流型PWM中。

圖1.11 IGCT（左）和SGCT（右）的實(shí)物圖

IGCT具有損耗低、開關(guān)速度快、內(nèi)部機(jī)械部件極少等優(yōu)點(diǎn)，可以以較低的成本，結(jié)構(gòu)緊湊地、可靠且高效率地用于300kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。目前研制的IGCT已達(dá)到9kV/6kA水平，而6.5kV/6kA的器件已經(jīng)開始供應(yīng)市場了。如采用串聯(lián)，逆變器功率可擴(kuò)展到100MVA范圍，而用于電力設(shè)備。因此，IGCT可望成為大功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。但是，從本質(zhì)上講，IGCT仍屬于GTO晶閘管系列的延伸，它主要是解決了GTO晶閘管實(shí)際應(yīng)用中存在的門極驅(qū)動(dòng)的難題。而IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路中包含了許多驅(qū)動(dòng)用的MOSFET和許多儲(chǔ)能電容器，所以實(shí)際上其門極驅(qū)動(dòng)功率消耗仍較大，影響系統(tǒng)的總效率。開發(fā)MOS可關(guān)斷MTO晶閘管的直接目的是，去除IGCT驅(qū)動(dòng)電路中所需的大量MOSFET，這些MOSFET被集成到功率器件的內(nèi)部。因此MTO外部門極驅(qū)動(dòng)電路的元器件更少，最重要的是不再需要IGCT門極驅(qū)動(dòng)電路中的反偏電源，這樣器件具有更高的可靠性。結(jié)果顯示，MTO晶閘管的關(guān)斷性能得到提高，其關(guān)斷延遲極短，這點(diǎn)與IGCT相似，但MTO晶閘管的外圍電路更加簡單。