1.5.1 晶闸管类功率半导体器件

在功率半导体开关器件中，晶闸管是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流额定值达到8kA，电压额定值可达12kV。国外目前已能在直径100mm的硅片上工业化生产8kV/4kA的晶闸管。2005年英国Dynex公司采用1000Ω·cm、厚度为2mm的硅片，制作出25℃时雪崩击穿电压为16～17kV的晶闸管实验样品。

晶闸管改变了整流管“不可控”的整流特性，为方便地调节输出电压提供了条件。但其门极仅能控制晶闸管导通，不能使已经导通的晶闸管恢复阻断状态，只有借助将阳极电流减小至维持电流以下或阴、阳极间电压反向来关断晶闸管。在整流电路中，交流电源的负半周自然会关断晶闸管，但在直流电路中，要想关断晶闸管必须设置能给其施加反向电压的换向电路才行，这给应用带来很大麻烦。一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管——门极关断GTO晶闸管应运而生并得到迅速发展，目前市场上已有6kV/6kA，频率1kHz的GTO晶闸管，研制水平可达8kV/8kA。GTO晶闸管存在的缺陷是，门极驱动电路复杂、d i /d t 和d v /d t 的耐量较低，安全工作区（Safe Operating Area，SOA）较小，以及在工作时需要一个庞大的吸收（Snubber）电路等。针对GTO晶闸管的上述缺陷，一种硬关断晶闸管类开关器件——IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）被研制出来。与常规的GTO晶闸管相比，IGCT具有不用缓冲电路、存储时间短、开通能力强、关断门极电荷少及系统（包括所有器件和外围器件）总功耗小等优点。IGCT芯片的基本图形和结构与常规GTO晶闸管类似，但是它除了采用了阳极短路型的逆导GTO晶闸管结构以外，主要是采用了特殊的环状门极，其引出端处于器件的周边，特别是其门、阴极之间的阻抗要比常规GTO晶闸管的小得多，所以在门极加以负偏压实现关断时，门、阴极间可立即形成耗尽层（见图1.10）。此时从阳极注入基区的主电流可在关断瞬间全部流入门极，关断增益为1，从而使器件迅速关断。不言而喻，关断IGCT时需要提供与主电流相等的瞬时关断电流，这就要求包括IGCT门、阴极在内的门极驱动电路的引线电感十分小。

IGCT的另一个重要特点是有一个引线电感极低的与管壳集成在一起的门极驱动器，图1.11是其门极驱动器的实物照片。图中门极驱动器与IGCT管壳之间的距离只有15mm左右，包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO晶闸管电路的1%左右。其改进结构之一称为门极换向晶闸管（SGCT），两者特性相似，主要应用于电流型PWM中。

IGCT具有损耗低、开关速度快、内部机械部件极少等优点，可以以较低的成本，结构紧凑地、可靠且高效率地用于300kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。目前研制的IGCT已达到9kV/6kA水平，而6.5kV/6kA的器件已经开始供应市场了。如采用串联，逆变器功率可扩展到100MVA范围，而用于电力设备。因此，IGCT可望成为大功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO晶闸管系列的延伸，它主要是解决了GTO晶闸管实际应用中存在的门极驱动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用的MOSFET和许多储能电容器，所以实际上其门极驱动功率消耗仍较大，影响系统的总效率。开发MOS可关断MTO晶闸管的直接目的是，去除IGCT驱动电路中所需的大量MOSFET，这些MOSFET被集成到功率器件的内部。因此MTO外部门极驱动电路的元器件更少，最重要的是不再需要IGCT门极驱动电路中的反偏电源，这样器件具有更高的可靠性。结果显示，MTO晶闸管的关断性能得到提高，其关断延迟极短，这点与IGCT相似，但MTO晶闸管的外围电路更加简单。 Qh0zRG64IFFXmly0lbwEPkxdKpJUuooPuJThPt1pX7x/3jlWbE7bEkTMi3t2nGvY