IGCT集成门极驱动电路研究

北京交通大学

硕士学位论文

IGCT集成门极驱动电路研究

姓名：张婵

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动指导教师：金新民

20071201

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２５００～４５ｋＶＧＴＯ２４００Ａ／４５ｋＶＲＣＩＣＫ＇Ｔ３６００Ｍ４５ｋＶＩ（Ｋ＇Ｔ｛Ｉ∥ｎ二％≈ｌｑ８｛１２００Ａ／４５ｋＶｌ０ＢＴ

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图表１采用ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ和ＧＴＯ器件的ＭＷ级变流装置成本比较

Ｆｉｇ．１ＴｈｅｃｏｓｔｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＭＶＩｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈＩＧＣＴ，ＩＧＢＴａｎｄＧＴＯＩＧＣＴ器件是９０年代后期被介绍到中国。在ＩＧＣＴ应用方面，株洲时代集团、清华大学、国电南自、许继展开了４５００Ｖ系列ＩＧＣＴ器件的应用研究，并在高压逆变器、轨道牵引机车大功率交流传动变流器等领域有了成功的应用，积累了宝贵的应用经验，也为未来ＩＧＣＴ的广泛应用创造了良好的条件。

国内对于ＩＧＣＴ门极驱动技术的研究由于没有国产的ＩＧＣＴ器件配套，因此大多数都不得不停留在理论分析，仿真或电路功能验证阶段。

辽宁大学，尹常永硕士学位论文《集成门极换向晶闸管驱动部分初探》，依据ＩＧＣＴ驱动电路的特点，从拓朴结构和电气特性两大方面入手，综合各种器件的特点，设计出了ＩＧＣＴ驱动电路原理图和ＰＣＢ版图。通过计算机仿真，得出门极电流、电压波形１４１。

西安交通大学电子与信息工程学院，朱长纯等《集成门极换流晶闸管驱动电路研究》，根据集成门极换流晶闸管驱动电路基本逻辑功能的要求，提出了应用电子设计自动化技术和复杂可编程逻辑器件芯片实现高可靠性、单片化、灵活设计的方案。设计出一种采用了硬驱动和集成门极技术的集成门极换流晶闸管门极驱动电路。最后通过电路仿真，表明开通时门极电流可在２邮内迅速达到２００Ａ左右。关断时电流门极电流可在４峭内抽取４００Ａ左右，符合集成门极换流晶闸管开通和关断时的特性要求１５】。

国外关于ＩＧＣＴ技术资料基本上全部来自于ＡＢＢ和三菱公司，而关于门极驱动技术的介绍都非常少。《Ａｍｏｄｅｒｎｌｏｗｌｏｓｓ，ｈＪｉｇｈｔｕｒｎ－ｏｆｆｃａｐａｂｉｌｉｔｙＧＣＴｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｏｎｃｅｐｔ）认为在ＧＣＴ技术中，门极驱动是关键，决定了整个功率器件的机械、电特性。文章提出了一种新的驱动拓扑技术，改进关断能力，减小门极损耗，尺寸和重量【们。

（３）逆导技术

ＩＧＣＴ大多制成逆导型，它可与优化续流二极管（ＦｗＤ）单片集成在同一芯片上。（如图表３所示）由于ＩＧｃＴ具有大多数晶体管不带吸收电路的关断特性，这意味着该集成续流二极管必须在不带吸收电路且高ｄｉ／ｄｔ工作条件下实现关断。因此要求与ＩＧＣＴ配套使用的二极管不仅具有较低的静态损耗与动态损耗，而且应具备优良的恢复特性。逆导型ＩＧＣＴ的二极管部分经过质子辐照形成非均匀的复合中心分布，这样便能通过控制载流子的寿命分布，进而控Ｎ－－－极管的反向恢复特性，并能保证在反向电流逐渐减小到零的过程中，不会产生断流现象。

ＧＣＴ（１）和二极管（２）在Ｉ司一层，门极在圆心（３）处

图表３逆导型ＩＧＣＴ结构示意图

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（４）门极驱动技术

ＩＧＣＴ门极单元体积大约是ＧＴＯ门极驱动单元的一半，同时缓冲层通过减少ｎ基区的存储电荷，可使基区尾部电流持续时间也减半（尾部电流经门极单元排出），从而降低了对门极功率的要求。在硬驱动条件下，在电场开始加在主结上之前，阴极停止注入电子，使得关断均匀，产生的热量在器件上均匀分布。

ＩＧＣＴ触发功率小，触发及状态监视电路和ＩＧＣＴ管芯做成一个整体，通过两个光纤输入触发信号，输出工作状态信号。

ＩＧＣＴ采用全压接技术（相对于平常烧结工艺而言的），其硅片与钼片之间的电、热接触是通过外部封装压力来实现的，减少了硅片内部的应力分布。

（５）阴极梳条结构

ＩＣｒＣＴ芯片面的图形结构与ＧＴＯ器件基本相同，特征是采用多梳条的阴极结构，梳条周围则由整体连通的门极区包围。这种结构能有效的提高梳条关断能力。

（６）阴极杂质分布

ＩＧＣＴ芯片阴极侧的杂质分布与ＧＴＯ基本相同。其作用主要为：承受器件的正向电压，同时构成器件的ＮＰＮ晶体管部分。阴极侧的Ｐ型区，可选用单杂质或双杂质两种分布。ｎ＋型部分通常是高掺杂的磷扩散层。

（７）离子注入扩散工艺