IEGT-電力半導(dǎo)體器件家族中的新成員

IEGT—電力半導(dǎo)體器件家族中的新成員注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT1引言眾所周知，人類第一個(gè)晶閘管(SCR)發(fā)明到今已近50年。電力電子成套裝置不斷對(duì)電力半導(dǎo)體器件提出新的、更高的要求，這些要求可概括為dv/dt和di/dt盡可能的高，開(kāi)關(guān)速度盡可能的快，通態(tài)壓降盡可能的低，而通流能力盡可能的大。這些要求成為電力半導(dǎo)體器件發(fā)明和進(jìn)步的直接推動(dòng)力，促使如今電力半導(dǎo)體器件并已形成了一個(gè)龐大的家族。幾年前人們普遍看好MOS控制晶閘管MCT，由于這類器件壓降低于IGBT，并且無(wú)二次擊穿現(xiàn)象，dv/dt和di/dt可分別達(dá)到2000V/μs和20000A/μs以上，應(yīng)用它可以制成無(wú)緩沖器的變流器，所以，有人當(dāng)時(shí)過(guò)早斷言“MCT將把所有電力半導(dǎo)體器件趕進(jìn)棺材，并釘上最后一顆釘子?！钡^(guò)了七、八年，由于當(dāng)今電力半導(dǎo)體工藝水平和材料的限制，極低的成品率和昂貴的成本導(dǎo)致MCT相繼被美國(guó)GE公司和Harris公司暫停研究，幾乎到了被打入冷宮的地步。集成門(mén)極換向晶閘管IGCT和注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT的發(fā)明，給電力半導(dǎo)體器件帶來(lái)了新的生機(jī)。本文旨在探討IEGT的工作原理、參數(shù)和特性，并舉例說(shuō)明其應(yīng)用。2IEGT的工作原理和特性及參數(shù)2.1工作原理IEGT的基本結(jié)構(gòu)電路及符號(hào)如圖1所示，它對(duì)外引出共3個(gè)端子，分別稱為集電極C、發(fā)射極E和柵極G。最先由日本東芝公司開(kāi)發(fā)并投放市場(chǎng)，其開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程如圖2的a與b所示，其工作過(guò)程可分析如下：圖1IEGT的結(jié)構(gòu)與符號(hào)a)開(kāi)通過(guò)程b)關(guān)斷過(guò)程圖2IEGT的開(kāi)通與關(guān)斷機(jī)理示圖(1)開(kāi)通過(guò)程IEGT的開(kāi)通過(guò)程如圖2a所示。當(dāng)在IEGT的柵-射極之間及集-射極之間加上正向電壓時(shí)，由于IEGT橫向門(mén)極長(zhǎng)度較長(zhǎng)，N區(qū)的橫向電阻較大，限制了空穴，電子在P區(qū)的表面形成反向墊壘，因而導(dǎo)致注入的電子從發(fā)射極通過(guò)該勢(shì)壘向N區(qū)移動(dòng)，引起電子在該電場(chǎng)的作用下，大量從集電極向N區(qū)朝著P區(qū)移動(dòng)，而空穴則直接通過(guò)發(fā)射極電場(chǎng)漂移，但仍有一部分空穴在靠近門(mén)極的區(qū)域積累起來(lái)。這部分積累起來(lái)的空穴使從N區(qū)發(fā)射極注入的電子越來(lái)越多，以后重復(fù)上述過(guò)程形成正反饋，最終使載流子全部存貯在N區(qū)，結(jié)果便使IEGT導(dǎo)通。(2)關(guān)斷機(jī)理IEGT的關(guān)斷機(jī)理可由圖2b所示的模型來(lái)分析，當(dāng)IEGT的柵-射極加上反向電壓時(shí)，原在柵極P區(qū)表面形成的反向勢(shì)壘便消失了，因而從N區(qū)發(fā)射極注入的電子便停止。同樣從P區(qū)集電極注入的空穴也就停止運(yùn)動(dòng)，積存在N區(qū)的多余電子和空穴互相中和，多余的電子回到集電極重新與空穴中和，而多余的空穴回到發(fā)射極與電子中和，從而使開(kāi)通時(shí)形成的反向勢(shì)壘消失，進(jìn)而使N區(qū)的載流子停止運(yùn)動(dòng)，IEGT也就快速關(guān)斷。2.2IEGT的特性IEGT的工作特性主要有開(kāi)通特性和關(guān)斷特性，分別如圖3a與圖3b所示，其特性可分析如下：a)開(kāi)通特性b)關(guān)斷特性圖3IEGT的開(kāi)通與關(guān)斷特性示圖(1)開(kāi)通特性圖3a給出了IEGT的開(kāi)通特性。開(kāi)通特性可以分為三段來(lái)分析。第一階段(Ⅰ)：盡管控制電路輸入的柵極控制信號(hào)，使IEGT柵極電位從關(guān)斷態(tài)的低電平(OV)變?yōu)橐驣EGT導(dǎo)通的高電平(+15V)，但由于柵-射極間分布電容CGE的充電，柵-射極驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一段延時(shí)(td(on))后，上升到接近柵-射極開(kāi)通電壓VGE(on)。第二階段(Ⅱ)：由于VGE≥VGE(on)，從IEGT集電極注入的電子逐漸增多，集電極電流IC緩慢上升。由于IC增加，集-射極電壓仍然維持原電壓值不變。此階段因位移電流的影響，VGE基本上保持在VGE(on)不變。第三階段前半段(Ⅲa)：由于IC增加，柵極與集電極分布電容的影響迅速減小，因而位移電流迅速下降。當(dāng)VGE上升到+15V時(shí)，使從N區(qū)發(fā)射極注入的電子迅速增加，加速了電子向集電極運(yùn)動(dòng)及空穴向發(fā)射極運(yùn)動(dòng)的速度使IC快速上升。這種從發(fā)射極注入電子的過(guò)程，是一個(gè)快速的、不穩(wěn)定的過(guò)程。第三階段后半段(Ⅲb)：到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，IC的增加停止，空穴和載流子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從而完成了IEGT的開(kāi)通。(2)關(guān)斷特性圖3a給出了IEGT的關(guān)斷特性。其關(guān)斷特性同樣可以分為三段來(lái)分析：第一階段(Ⅰ)：盡管控制電路輸入的柵極控制信號(hào)，使IEGT從導(dǎo)通態(tài)的高電平(ON)變?yōu)橐驣EGT導(dǎo)通的低電平(OFF)，但由于柵-射極間分布電容CGE的充電，柵-射極驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一段延時(shí)(td(off))后，才下降到接近柵-射極關(guān)斷電壓VGE(off)。第二階段(Ⅱ)：由于VGE≤VGE(off)，從IEGT集電極注入的電子逐漸減少，所以集電極電壓VCE緩慢上升。由于VCE增加，集-射極電流仍然保持原電流值不變。此階段因位移電流的影響，VGE基本上保持在VGE(off)不變。第三階段前半段(Ⅲa)：由于VCE增加，柵極與集電極分布電容CGE的影響迅速減小，因而位移電流迅速下降。當(dāng)VGE下降到-15V時(shí)，使從N區(qū)發(fā)射極注入的電子停止；剩余在集電極的電子和空穴分別向發(fā)射極和集電極移動(dòng)，使VCE快速上升。這種從發(fā)射極抽走電子并帶著空穴注入的過(guò)程是一個(gè)短暫而不穩(wěn)定過(guò)程。第三階段后半段(Ⅲb)：到達(dá)穩(wěn)態(tài)后VCE的增加停止，剩余的載流子被中和，從而完成了IEGT的關(guān)斷過(guò)程。2.3IEGT的參數(shù)表征IEGT性能的電壓參數(shù)有集-射極最大額定電壓VCES、柵射極最大額定電壓VGES、集射極通態(tài)電壓VCE(sat)、柵射極關(guān)斷電壓VGE(off)及集射極反向電壓VF，表征其特性的電流參數(shù)有集電極電流IC、集電極峰值電流ICP、集電極反向電流IR、柵射極漏電流IGES、集電極關(guān)斷電流ICES和內(nèi)部續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流Irr等，除這些參數(shù)外，還有開(kāi)通能量Eon、關(guān)斷能量Eoff、反向恢復(fù)能量Edsw、集電極功耗PC、結(jié)溫Tj、存貯溫度Tstg、輸入電容Cies、反向安全工作區(qū)FBSOA、正向安全工作區(qū)RBSOA、斷態(tài)臨界電壓上升率dv/dt、通態(tài)臨界電流上升率di/dt，熱阻Rthjc、安全壓接力、開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開(kāi)通延遲時(shí)間、關(guān)斷延退時(shí)間等。有關(guān)這些參數(shù)的含義及詳細(xì)介紹可參文獻(xiàn)[3]3IEGT的應(yīng)用技術(shù)3.1IEGT與GTO和IGBT的比較[2](1)載流子濃度的比較圖4給出了GTO、IGBT、IEGT載流子濃度及載流子運(yùn)動(dòng)方向的比較。從圖顯見(jiàn)，電子的運(yùn)動(dòng)方向?qū)TO來(lái)講是從陰極流向陽(yáng)極，而對(duì)IGBT和IEGT來(lái)講是從發(fā)射極流向集電極，空穴的流動(dòng)方向正好與上述相反。由圖還可以看出，三者中IGBT在發(fā)射極集聚的載流子濃度最低，且從集電極注入的空穴通過(guò)P區(qū)向發(fā)射極運(yùn)動(dòng)，由此決定了IGBT有較高的飽和壓降和較低的阻斷電壓；GTO在陽(yáng)極與陰極集聚的載流子濃度較高，這就是GTO具有低通態(tài)壓降和高阻斷電壓的原因，IEGT在集電極和發(fā)射極集聚的載流子濃度與GTO一樣有較高的濃度，不同之處表現(xiàn)在電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，所以IEGT具有GTO低飽和壓降和高阻斷電壓的雙重優(yōu)良性能。圖4GTO、IGBT、IEGT載流子濃度比較示圖(2)IEGT與GTO安全工作區(qū)的比較IEGT比GTO有更大的安全工作區(qū)，圖5給出了4500V、3000A的IEGT與GTO的安全工作區(qū)比較。由圖可見(jiàn)，IEGT比GTO有更大的安全工作區(qū)。圖5IEGT與GTO安全工作區(qū)的比較示圖(3)IEGT與GTO門(mén)極單元的比較表1給出了驅(qū)動(dòng)同容量的IEGT和GTO各自所需的柵極或門(mén)極參數(shù)比較。圖6給出了驅(qū)動(dòng)波形中這些參數(shù)的含義，由圖顯見(jiàn)IEGT驅(qū)動(dòng)要求的功率很小。表1IEGT與GTO柵極或門(mén)極驅(qū)動(dòng)參數(shù)的比較參數(shù)GTOIEGT參數(shù)GTOIEGTVon/V0.515Voff/V-20-15Ipon/V501.4Ipoff/A4002tpon/μs301.0tpoff/μs305Ion/A80.5PW/W200~3000.13ton/μs100013圖6IEGT與GTO希望的驅(qū)動(dòng)波形及驅(qū)動(dòng)波形中參數(shù)的含義(4)高阻斷電壓狀況下，通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間及可應(yīng)用場(chǎng)合的比較在高阻斷電壓的條件下，IEGT的通態(tài)壓降要比IGBT低得多，而稍高于GTO，但它的可工作頻率要比GTO高得多，其開(kāi)關(guān)響應(yīng)要比GTO快得多，更何況目前IEGT的額定阻斷電壓已高于IGBT，所以它可用于容量比IGBT高，而工作頻率比GTO高的電力電子設(shè)備中。(5)基本電路結(jié)構(gòu)中元件的數(shù)量和額定容量及效率的比較IEGT應(yīng)用中不需像GTO那樣，對(duì)每個(gè)GTO必需增加復(fù)雜的di/dt(陽(yáng)極串聯(lián)限流電感及dv/dt抑制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)GTO陽(yáng)-陰極并聯(lián)R-C-D緩沖器)，它僅需在正、負(fù)母線之間增加一個(gè)RCD吸收網(wǎng)絡(luò)就足夠了。圖7a、b分別給出了GTO與IEGT用于電壓源逆變器系統(tǒng)中每個(gè)單相橋逆變器的基本單元示圖。由圖可見(jiàn)，應(yīng)用IEGT所用元器件總數(shù)為7個(gè)，而同容量GTO所用元件數(shù)為28個(gè)，是IEGT逆變器的四倍。IEGT內(nèi)部本身集成有續(xù)流二極管，而GTO還需外接續(xù)流二極管，這就造成了大容量GTO變流器續(xù)流二極管安裝困難，要滿足分布電感的要求及容量參數(shù)的匹配選擇是不容易。有關(guān)資料證明，圖7中IEGT基本單元的總損耗為GTO基本單元總損耗的53%。a)GTOb)IEGT圖7IEGT與GTO使用中的基本單元示圖圖7a中所示的GTO模塊每六個(gè)單元的額定容量為9MVA，而圖7b所示的IEGT模塊每六個(gè)單元的額定容量為10MVA。應(yīng)用上述基本單元組成的電壓型逆變器，經(jīng)實(shí)測(cè)GTO逆變器的總效率為96.8%，而IEGT逆變器的總效率為98.3%，顯然IEGT逆變器相對(duì)于GTO逆變器有更高的效率。3.2IEGT的應(yīng)用舉例IEGT的上述優(yōu)良性能使其可方便地用于電壓型逆變器、速調(diào)管陽(yáng)極調(diào)制器等電力電子設(shè)備中，現(xiàn)舉例說(shuō)明其應(yīng)用。(1)用于速調(diào)管陽(yáng)極調(diào)制器IEGT可以取代真空電子管用于速調(diào)管陽(yáng)極調(diào)制器中。圖8給出了其電路結(jié)構(gòu)框圖與工作波形，圖中共計(jì)使用了近40個(gè)IEGT，工作直流電源電壓100kV。東芝公司已研制出這種產(chǎn)品并投放市場(chǎng)，整個(gè)設(shè)備采用油冷卻。(2)圖9給出了東芝公司應(yīng)用IEGT制作的20MVA電壓型多電平IEGT逆變器的原理電路圖。該電路用于電網(wǎng)閃爍抑制系統(tǒng)中，由兩個(gè)10MVA的變流器串聯(lián)而成，等效正弦波頻率為3120Hz，變壓器二次測(cè)電壓為1430V、交流電流1165A。經(jīng)實(shí)測(cè)，逆變器中每個(gè)功率單元(四個(gè)IEGT組成的單相逆變橋)體積僅為同容量GTO功率單元的31%，而效率比使用GTO逆變器提高了近2%，每個(gè)10MVAIEGT逆變器的外形尺寸僅為長(zhǎng)×寬×高=2800mm×2200mm×3000mm。a)電路框圖b)開(kāi)關(guān)波形和額定值圖8應(yīng)用IEGT于速調(diào)管陽(yáng)極調(diào)制器系統(tǒng)示圖圖9應(yīng)用IEGT構(gòu)成的20MVA電壓型逆變器電路示圖4結(jié)論綜上所述，我們可得下述結(jié)論，IEGT的開(kāi)關(guān)頻率高于GTO，而低于IGBT，通態(tài)壓降高于GTO，而低于IGBT。目前，單管容量高于IGBT而小于GTO，其安全工作區(qū)寬，應(yīng)用于電力電子設(shè)備中時(shí)，可使驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路得到簡(jiǎn)化，因而使整個(gè)電力電子設(shè)備的效率提高，毫無(wú)疑問(wèn)，其在電力電子設(shè)備中的應(yīng)用前景將是