北京交通大学硕士学位论文

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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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中文摘要

摘要：ＩＧＣＴ（集成门极换流晶闸管）是从ＧＴＯ（门极可关断晶闸管）发展改进而来的。它结合了ＧＴＯ和ＩＧＢＴ的优点，如开通损耗低，可靠性高，电压电流容量大，开关频率高等。由于ＩＧＣＴ的特殊工作原理，驱动电路对ＩＧＣＴ性能、可靠性、

成本等影响非常大。驱动电路的参数设计直接取决于ＩＧＣＴ工作的要求，又反过来影响ＩＧＣＴ的性能。通过对这一新型器件驱动技术研究，为我国自行研制的ＩＣＪＣＴ器件设计了门极驱动电路。现在已经掌握驱动电路参数对ＩＧＣＴ器件性能的影响，

正在向优化驱动电路设计，更智能方向发展。

论文首先比较了ＩＧＣＴ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ（绝缘栅极门控晶体管）的特点，指出ＩＧＣＴ是一种有很大发展前途的新型大功率半导体开关器件。其次介绍了ＩＧＣＴ器件结构，结合它的工作原理，详细分析了门极驱动电路的设计方法和原理。最后在ＩＣｒＣＴ实验台上，完成了系列开通关断实验。从而验证了所设计的驱动电路方法是可行的，正确的。

ＩＧＣＴ是由瑞士ＡＢＢ公司最先开发出来的，随后日本三菱公司也研制出系列产品。目前世界ＩＧＣＴ市场基本被ＡＢＢ，三菱公司垄断。国内对于ＩＧＣＴ的应用仍处于实验和起步阶段。至于ＩＧＣＴ驱动电路的研究，由于没有相应的ＩＧＣＴ器件配合，大多停留在理论仿真和分析阶段，没有实际的产品。

本文是国内首篇详细介绍自主研制的ＩＧｃＴ门极驱动电路工作原理及相关测试的论文。目前实验室已经具备ＩＧＣＴ门极驱动电路的小批量生产能力和专利，今后将继续为推动ＩＧＣＴ组件国产化做更多的工作。

关键词：ＩＧＣＴ；硬驱动；集成门极驱动电路；

分类号：ＴＮ３４

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＩＧＣＴ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒ）ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍＧＴ０ａｎｄＩＧＢＴ．ＩｔｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆＧＴＯａｎｄＩＧＢＴ．ｗｈｉｃｈｈａｓｌｏｗ

ｔｕｒｎ－ｏｎｌｏｓｓ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｕｒｎ—ｏｆｆｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｂｌｏｃｋｖｏｌｔａｇｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄ ^ｓｏ ^ｏｎ．

ＩＧＣＴｍｕｓｔｍａｒｒｙｗｉｔｈｔｈｅｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓｐｅｃｉｆｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｎｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｍｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓＩＧＣＴｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｖｉｃｅ ^{ｖｅｒｓｅ．}

Ｔｌｌｉｓ _{ｐａｐｅｒ}ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｌＧＣＴｗｉｔｈＧＴＯａｎｄＩＧＢＴ．Ｉｔｐｏｉｎｔｅｄ ^ｏｕｔｔｈａｔＩＧＣＴｗａｓａｎｅｗｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｍａｎｙｓｕｐｅｒｉｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ｎ艟ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆ ^{ＩＧＣＴｗｅｒｅ} ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎ ^ｔｈｅｐａｐｅｒ．Ａｔｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｋｃｕｋ’Ｓｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ^ｗｅｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＩＧＣＴａｎｄｉｔｓｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｗｅｒｅｔｅｓｔｉｆｉｅｄｂｙＩＧＣＴ^ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ．

Ａｓａｎｅｗｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅ，ＩＧＣＴＷａｓｆｒｓｔｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＡＢＢ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙＭＩＳＴＵＳＩＳＨＩ．ＮｏｗｔｈｅＩＧＣＴ’ＳｍａｒｋｅｔｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄＷａｓｍｏｎｏｐｏｌｉｚｅｄｂｙ ^ＡＢＢａｎｄＭＩＳＴＵＳＩＳＨＩ．Ｉｎ_{ｐｕｂｌｉｃ} ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｈｅｒｅｗａｓｌｉｔｔｌｅａｂｏｕｔｔｈｅ_ｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ．ＩｎＣｈｉｎａ，

ｂｅｃａｕｓｅｏｆ１１０ＩＧＣＴｄｅｖｉｃｅ，ｍｏｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｗｅｒｅａｂｏｕｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｓ．ＴｈｅｒｅＷａｓ１１０ｐｒｏｄｕｃｔｏｆ_ｇａｔｅｄｒｉｖｅｅｋｃｕｉｔｉｎＣｈｉｎａｂｅｆｏｒｅ．

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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＩＧＣＴ；ｈａｒｄｄｒｉｖｅ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ；

ＣＬＡＳＳＮｏ：ＴＮ３４

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，

并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：导师签名：

铄氏

签字日期：ｚＤ呵年Ｊ？月２１日签字日期：扫帕７年，ｚ月ｋ１日

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学雠文储繇弹签字日期．２口刀年Ｊ２月２ｆ日

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致谢

本论文的工作是在我的导师，金新民教授的悉心指导下完成的，金新民教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来金新民教授，童亦斌老师对我的关心和指导。

金新民教授，童亦斌老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向金新民教授，童亦斌老师表示衷心的谢意。

金新民教授，童亦斌老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，

在此表示衷心的感谢。

在实验室工作及撰写论文期间，黄杏、张禄等同学对我论文中的开关电源、

实验台的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。

另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。

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序

功率半导体器件是现代电力电子技术的核心之一。它们在电力、能源、交通等工业领域占有重要地位。自从上个世纪５０年代，硅晶闸管问世以后的２０多年来，功率半导体取得了突出的成就。每一种新器件的出现都为电力电子变换技术的发展注入了新的活力，使相关应用领域的变换装置的性能得到改善。

６０年代后期，可关断晶闸管（Ｇ１Ｄ）具有导通电流密度高，耐压高，及ｄｖ／ｄｔ耐量高，门极可关断等优点。但是由于它具有不均匀关断的特性，需要庞大的ｄｖ／ｄｔ吸收电路吸收关断过程中所产生的过电压。同时其门极驱动电路较为复杂且驱动功率大，限制了它的应用范围ＩｊＪ。

７０年代中期，高功率晶体管和功率ＭＯＳＦＥＴ实现了场控功能。它将功率半导体应用扩大到高频范围。ＭＯＳＦＥＴ输入阻抗纯阻性，驱动电路简单，驱动功率小。

此外，功率ＭＯＳＦＥＴ具有正电阻温度系数。电流加大时，温度上升，使电阻加大，

对电流起自限流作用。当多只管子并联时，有自动均流的作用。但其缺点是通态电阻比较大，通态损耗也较大。尤其随着器件耐压的提高，通态电阻随之加大，

所以单管容量难以提高。一般只适应于小功率高频率电力电子装置。

８０年代，绝缘栅极门控晶体管（ＩＧＢＴ）问世。它综合了功率ＭＯＳＦＥＴ和双极性功率晶体管两者的功能。既有ＭＯＳＦＥＴ易驱动的特点，又具备功率晶体管电压电流容量大等优点。频率特性介于ＭＯＳＦＥＴ与功率晶体管之间，可正常工作于几十ｋＨｚ频率范围内。ＩＧＢＴ的工作特点是：控制信号为电压信号，输入阻抗高，

栅极电流小，驱动功率小，工作电流为集电极电流输入。

但是ＩＧＢＴ的缺点也很明显，在高阻断电压下损耗较高，发热现象严重，对冷却要求苛刻。在应用于高压电路时，必须串联使用，大大增加了系统的复杂性和损耗，同时降低了可靠性。虽然高功率ＩＧＢＴ模块具有一些优良特性，如能实现ｄｉ／ｍ和ｄｖ／ｄｔ的有源控制、有源钳位、易于实现短路电流保护和有源保护等。也同样存在导通损耗高，硅有效面积利用率低，损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点。这些都限制了高功率ＩＧＢＴ模块在高功率低频变流器的应用１２】。

８０年代中后期，出现了智能化电力电子器件。ＩＰＭ（智能功率模块）、ＰＩＣ（功率集成电路）开始发展起来，并得到越来越广泛的应用。它们在同一模块上实现了功率开关器件和驱动电路、保护电路、逻辑控制电路及相关传感元件的复杂集成。ＩＰＭ模块仅需提供各桥臂对应的ＩＧＢＴ驱动电源和相应的开关控制信号，大大方便了应用和系统设计，并使可靠性得到很大提高。经过近十几年的努力，ＩＰＭ已经在中频（＜２０ｋＨｚ）中功率范围内取得了成功的应用。但由于用户不能调节内

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部死区时间及过流、短路保护阈值等，往往应用于定型的逆变器类产品【３】。

１９９６年，瑞士ＡＢＢ公司推出一种新型半导体开关器件，集成门极换流晶闸管ＩＧＣＴ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒ）。它是在晶闸管（ＳＣＲ）和门极可关断晶闸管（ＯＴＯ）基础上发展起来的一种大功率半导体开关器件。通过印刷电路板将ＩＧＣＴ芯片与其门极驱动电路连接在一起，将门极驱动回路电感限制在ｎＨ水平，实现门极换流和硬驱动。ＩＧＣＴ不仅有着与ＧＴＯ相同的高阻断能力和低导通压降，而且有着与ＩＧＢＴ相同的开关性能，是一种理想的兆瓦级开关器件。

与常规的ＧＴＯ晶闸管相比，ＩＧＣＴ具有许多优良的特性。比如电流大、电压高、可靠性高、结构紧凑、存储时间短、开通能力强、关断门极电荷少等。ｌＧＣＴ不用缓冲电路能实现可靠关断。它的应用系统，包括所有器件和外围部件，如阳极电抗器和缓冲电容器等，总的功率损耗低。ＩＧＣＴ从ＧＴＯ中脱颖而出，在所有中高压领域代替ＧＴＯ。

国际上商用ＩＧＣＴ器件已达到４０００Ａ／６０００Ｖ水平，ＡＢＢ公司正在开发１０^ｋＶ的ＩＧＣＴ器件。日本三菱电子公司也于１９９８年开发出４０００Ａ／６０００Ｖ的ＩＧＣＴ。目前正在开发６英寸的５０００ ^{Ａ／６０００} Ｖ的逆导型ＩＧＣＴ，双门极ＩＧＣＴ等器件。这必将进一步扩大ＩＧＣＴ类器件的应用领域。

ＩＧＣＴ目前已成功应用到很多大功率领域，包括风力发电，脉冲电源，静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）等。ＩＧＣＴ装置中所有元件装在紧凑的单元中，降低了成本、体积。对比相同电压等级的ＩＧＢＴ变频器，ＩＧＣＴ只需要更少的元件，损耗较小，可以采用更为灵活的冷却方法，内在可靠性更高。

在国外，ＩＧＣＴ的应用范围已经非常广泛，尤其在高压传动及电能质量控制等方面。从１９９９年开始，ＡＢＢ公司就推出了基于ＩＧＣＴ的中压变频器ＡＣＳ ^{６０００。}

在全球已安装的中压传动系统中，ＡＢＢ占的份额最大，足以证明ＩＧＣＴ器件的优势。据ＡＢＢ公司预测，未来几年全球对ＩＯＣＴ元件需求量将会以每年１５％以上速度增长，在５年内达到５０００万美元。但是现在，ＩＧＣＴ市场在国际上被ＡＢＢ和三菱公司完全垄断。

我国大功率电力电子器件产业落后，大功率ＩＧＣＴ器件应用技术比较复杂且不为大多数人所熟悉，因此大功率ＩＧＣＴ的应用在我国还处于起步阶段。目前仅个别单位，株洲时代集团、清华大学、国电南自、许继等使用ｌＧＣＴ，有少量产品问世。

未来几年我国国民经济的持续稳定快速发展，大功率电力电子装置产业也将迅速增长。湖南株洲南车时代集团经过多年努力，已研制出ＩＧＣＴ系列产品，拥有完全自主知识产权，填补了我国在大功率半导体开关器件领域的一项空白。

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１引言

大功率电力电子器件产业是整个电力电子装置产业的基础。以目前的技术发展水平看，能够满足大功率电力电子装置产业要求的全控型大功率电力电子器件，

只有ＩＧＢＴ和ＩＧＣＴ。与ＩＧＢＴ相比，大功率ＩＧＣＴ器件有很多优点，如功率等级高、工艺相对比较简单、成本较低等。

ＩＧＣＴ无需串并联就可应用于Ｍｗ级装置，导通损耗和开关频率相比ＩＧＢＴ低，

集成门极驱动单元设计使用户应用简便。大功率ＩＧＢＴ变流器大都采用级联或并联的结构，依靠多重化提高变流器总体的等效开关频率，但结构复杂。在主电路设计中，ＩＧＢＴ短路保护性能优异，保护速度快。ＩＧＣＴ则需要借助ｄｉ／ｄｔ电感实现可靠的保护。就主电路结构来说，ＩＧＢＴ器件数目多，系统结构比较紧凑，但是ＩＧＣＴ结构可以实现非常紧凑。就功率等级而言，表格１是ＩＧＢＴ跟ＩＧＣＴ的一个简单比较，以及图表１是采用不同器件ＭＷ级装置成本对比。

表格１ＩＧＣＴ与ＩＧＢＴ对比

低压ＩＧＢＴ高压ＩＧＢＴ ^ＩＧＣＴ通过串并联才能满足通过串并联才能满足无需串并联就可应功率等级Ｍｗ级装置的要求Ｍｗ级装置的要求用于ＭＷ级装置

导通损耗导通损耗较低导通损耗较大导通损耗最低开关损耗开关损耗较低开关损耗较大开关损耗较低

不需要吸收电路，但器不需要吸收电路，但器

吸收电路件串联对驱动电路要件串联对驱动电路要求无需吸收电路

求较高较高

需单独设计、安装驱动需单独设计、安装驱动

驱动电路集成门极驱动单元

电路电路

保护及可需要另外设计复杂的需要另外设计复杂的保

安全、无故障

靠性保护电路护电路

器件数目多中等最少

器件数目较多，系统结

结构结构比较紧凑结构非常紧凑

构复杂

接线复杂的布线和连接中等复杂的布线和连接简洁的布线和连接

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２５００～４５ｋＶＧＴＯ２４００Ａ／４５ｋＶＲＣＩＣＫ＇Ｔ３６００Ｍ４５ｋＶＩ（Ｋ＇Ｔ｛Ｉ∥ｎ二％≈ｌｑ８｛１２００Ａ／４５ｋＶｌ０ＢＴ２５ＭＶＡ变斑嚣３ＭＶＡ垒施嚣４５ＭｖＡ受ｍ嚣 ^{：“Ｍ、ｔ奇赢ｚｔ} ２ＭＶＡ受ｔｎ嚣

图表１采用ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ和ＧＴＯ器件的ＭＷ级变流装置成本比较

Ｆｉｇ．１ＴｈｅｃｏｓｔｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＭＶＩｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈＩＧＣＴ，ＩＧＢＴａｎｄＧＴＯ

ＩＧＣＴ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。《Ａ^{ｍｏｄｅｒｎ}ｌｏｗｌｏｓｓ，ｈＪｉｇｈｔｕｒｎ－ｏｆｆｃａｐａｂｉｌｉｔｙＧＣＴｇａｔｅｄｒｉｖｅ

ｃｏｎｃｅｐｔ）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。

２

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《ＡＦａｍｉｌｙｏｆＲｅｖｅｒｓｅＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒｓｆｏｒＭｅｄｉｕｍ

ＶｏｌｔａｇｅＤｒｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ））指出由于ＧＴＯ硬驱动技术的突破，出现了新的晶闸管

ＩＧＣＴ。ＩＧＣＴ开关频率只受限于系统的散热设计，开关频率可以扩大到ｋＨｚ。文章介绍逆导型ＩＧＣＴ结构特点，工作原理以及门极驱动技术１７１。

（（ＩＧＣＴ—ａＮｅｗＥｍｅｒｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＨｉｇｈＰｏｗｅｒ，ＬｏｗＣｏｓｔＩｎｖｅｒｔｅｒｓ））介绍与ＧＴＯ相比，ＩＧＣＴ的技术突破和优点。它可以在高电流密度下，不需要ｄｖ／ｄｔ吸收电路，实现高频工作。通过减小硅片厚度，达到减小通态损耗和关断损耗的目的。但是必须提高反关联二极管在无吸收电路下的高ｄｉ／ｄｔ关断能力。通过可靠的串并联，将功率等级扩大到１００ＭＶＡ悼Ｊ。

湖南株洲南车时代电气股份有限公司电力电子事业部率先在国内研制出具有国际先进水平的４５００Ｖ系列ＩＧＣＴ器件。这项技术填补了我国在大功率半导体开关器件领域的一项空白，将为风力发电并网逆变器等大功率变流装置提供可靠的核心器件支持。目前已申请ＩＧＣＴ相关专利近３０项，拥有完全自主知识产权，完整的设计和生产技术。已经生产出包括配套二极管在内，６３０Ａ～４０００Ａ／４５００Ｖ全系列产品。该公司具备小批量生产能力和比较定型的工艺，已完成前期的试验。

《Ⅺｃ４０００．４５非对称型ＩＧＣＴ组件的研究》，概述了新型可关断电力半导体组件ＩＧＣＴ的基本结构，提出了非对称型ＩＧＣＴ组件的关键技术，详细介绍了新近研制出Ⅺｃ４０００．４５非对称型ＩＧＣＴ组件的主要参数、测试、试验结果［９１。

由于ＩＧＣＴ自身工作原理的特点，它必须借助集成门极驱动电路才能实现开通关断，且门极驱动电路的性能直接影响到器件性能的优劣。株洲南车时代电气公司于２００４年委托北京交通大学新能源研究所开发研制ＩＧＣＴ集成门极驱动电路。

目标是配合他们生产的ＩＧＣＴ器件，形成产品，争取国内ＩＧＣＴ市场。

此项目开展的总体思路是，将精力首先集中在研究ＡＢＢ公司ＩＧＣＴ驱动器件电路特性，掌握驱动的特点，基本控制方法，从而提出降低损耗、提高可靠性、

实现更高的智能驱动控制和减小体积等更优的设计方法。

我们已经完成了１１００^{Ａ／４５００} Ｖ逆导型、４０００^{Ａ／４５００} Ｖ不对称型ＩＧＣＴ驱动电路的设计，并通过了实验验证。今后将继续配合株洲南车时代电气公司，改进驱动板的性能，包括减少驱动板的损耗、提高可靠性等，为推动ＩＧＣＴ组件国产化做更多的工作。

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２

ＩＧＣＴ结构和工作原理

２．１

ＩＧＣＴ结构

集成门极换流晶闸管（ＩＧＣＴ）是通过印刷电路板将ＩＧＣＴ芯片与其门极驱动电路连接在一起，将门极驱动回路电感限制在ｎＨ水平，实现“门极换流”和“硬驱动”。它所具备的技术优势在于高集成度的低电感。减薄的硅片厚度限制了贮存的电荷，而且允许在同一芯片上制备二极管和开关单元。同时，较薄的硅片厚度能产生较低的通态损耗。

ＩＧＣＴ芯片是ＩＧＣＴ的核心器件。它由ＧＴＯ发展和演变而来，是四层三端器件（如图表２）。ＩＧＣＴ芯片内部由成千上万个ＩＧＣＴ组成。与ＧＴＯ的重要差别是ＩＧＣＴ阳极内侧多了缓冲层，以透明阳极代替ＧＴＯ的短路阳极。

ＩＧＣＴ采用了下面的关键技术…１^ｏ】：

（１）缓冲层

通常在器件设计中，如果需要高的阻断电压值，就得要求硅片的厚度增加。

但硅片厚度的增加必将导致导通和开关损耗的增大。ＩＧＣＴ采用缓冲层结构后，在相同阻断电压下，硅片厚度和标准结构更薄，从而大大降低了导通和开关损耗。

传统的非穿通型（ＮＰＴ）概念是在厚的ｎ基区上直接扩散形成阳极。非穿通ＰＮ结在阻断情况下电场分布呈三角形，如图表２中曲线所示。

由图表２可以看出，器件总的阻断电压为电场在沿硅片厚度方向上的积分。

因此，在材料所承受电场强度最大值不变的情况下，所需阻断电压越高，其硅片的厚度就越厚。这样会导致器件的导通损耗和开关损耗也相应增大。同时采用缓冲层，使单片ＩＧＣＴ与二极管的组合成为可能。

采用基区穿通型设计后，在ｎ—Ｐ＋层之间引入ｎ＋缓冲层，并降低ｎ一区掺杂浓度，

由于电场被ｎ＋缓冲层阻挡，形成一个四边形电场分布。这样采用较薄的硅片即可达到相同的阻断电压，从而提高了器件的效率，降低了通态损耗和开关损耗。

例如，在４．５ｋＶ的ＩＧＣＴ中，采用缓冲层设计使芯片所需的厚度大约减小４０％。

这样便能相应的降低导通和关断损耗。

４

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ＮＰＴ型

Ｐ丁型

Ｅ（Ｐ１）

Ｅ（ＮＰｎ

Ｘ（厚度）

图表２ＮＰＴ型与ＰＴ型结构示意图Ｆｉｇ．２Ｔｈｅ^{ｇｒｕｄ［ｕｒｅ}ｏｆＮＰＴ^{ａｎｄＰＴ}

由于ＩＧＣＴ中的二极管与ＩＧＣＴ共享，由ＩＧＣＴ的阳极区与二极管Ｐ基形成的阻断结，这样在ＩＧＣＴ门极与二极管阳极间即可形成电阻性通道。ＰＮＰ结构（其中总有一个ＰＮ结反偏）阻断了ＩＧＣＴ门极与二极管阳极间的电流流通，从而克服以往ＧＴＯ用沟道隔离（电阻隔离）的缺点。普通的电阻隔离不仅使负门极电流增大，

增加了ＧＴＯ阻断时门控单元的负担，而且减少了器件的有效工作面积。

在Ｇ１Ｉｏ中很难采用这种缓冲层设计，因为开通时缓冲层位于阳极与Ｎ基区之间，致使流过Ｎ基区的电流被缓冲层收集，然后沿阳极结横向流入短路点。因此缓冲层中的电压降比无缓冲层的类似结构要低。为了保证器件具有良好的开通特性，必须减少阳极短路点的数量，但这又将使关断特性变坏。

（２）可穿透发射区

ＩＧＣＴ采用了缓冲层技术，而缓冲层的高电导率与传统的ＧＴＯ阳极短路技术不相容，因此必须采用新的替代技术。为实现低通态压降，要求处于导通态的器件保持为晶闸管结构，这就需要采用正反馈晶体管对。如果要求实现低关断损耗，

阳极晶体管的增益又会受到限制，并且要求其厚度薄和掺杂浓度低。因此ＩＧＣＴ在ＧＴＯ结构的基础上，去掉阳极短路点，并利用了可穿透发射区技术。其发射效率和电流密度密切相关。在低电流密度下，其发射效率很高。但在大电流密度下，

阳极的注入效率将很低。

透明发射极ＩＧＣＴ的触发电流和通态门极电流要求都很小。传统的ＧＴＯ采用阳极短路结构来达到相同的效果，但这大大增加了门极触发电流。

为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制。因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的ＰＮ结，其发射效率与电流有关。

因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。另一方面，透明发射极在大电流下具有较低的注入效率，并且在关断期间，基区中的电子是可以透过透明阳极达到金属接触面处复合，为载流子的快速流出提供了通道，缩短了关断时间。

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（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

Ｆｉｇ．３ ^Ｔｈｅ^{ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ}ｏｆＲｅｖｅｒｓｅＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ^ＩＧＣＴ

（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

６

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能够形成高精度、高均匀性，提高器件参数的可靠性。离子注入技术在ＩＣ器件中属于完全成熟的通用技术。而对于普通晶闸管类的电力电子器件，由于会增大成本，用得较少。但对于ＧＴＯ和ＩＧＣＴ这一类动态均匀性要求较高的可关断器件，采用离子注入将是非常有益的。目前电力电子器件制造中常用的扩散源硼、

铝、磷等均可用离子注入方法进行。

（８）精密光刻工艺

用于形成高精度、高完整性、重叠性好的阴极梳条结构。这些梳条本身还具有复杂的外形与结构，需要通过多次光刻工艺操作才能形成。对于一只ＩＧＣＴ芯片而言，这些梳条需要全部并联工作。只有每个梳条合格，才能生产出合格的芯片。

（９）梳条成型工艺

用于形成梳条与门极间的高度差，实现门阴极间的电隔离。梳条成型有干法腐蚀和湿法腐蚀两类加工方法。干法腐蚀在ＩＣ芯片制造中广泛应用，其精度高但效率低。目前主要采用湿法化学腐蚀方法实现梳条成型。

（１０）无机膜及刻蚀工艺

无机膜有多种用途，其中包括了一系列工艺，如低压化学汽相淀积（ＬＰＣＶＤ）

发氮化硅膜、等离子加强化学汽相淀积（ＰＥｃｖＤ）法氮化硅膜、类金刚石膜（ＤＬＣ）

等。主要用途有：梳条钝化、台面主结钝化、改进离子注铝杂质的分布曲线、改善门极区绝缘等。

（１１）溅射复合材料

阳极溅射钛及其复合材料，用以改善硅铝合金层合金面的平坦性，防止阳透极浅结被穿透失效。

梳条成型工艺、无机膜及刻蚀工艺、溅射技术在新型电力电子器件制造中将很有前途。

由于采用以上的新技术，ＩＧＣＴ在大容量变流器体现出以下的主要优点：

（１）门极驱动更加可靠

由于新技术的应用，ＩＧＣＴ所需要的门极驱动功率不到相同容量ＧＴＯ的２０％。

为了更加坚固和紧凑，ＩＧＣＴ的门极驱动电路围绕ＩＧＣＴ设置，与ＩＧＣＴ组成一体。

这种设计使得ＩＧＣＴ门极驱动的造价和故障率大大降低。

（２）性能更强的关断特性

ＩＧＣＴ可以在晶体管方式下发生可靠关断，使安全工作区增大到完全动态雪崩区域。ＩＧＣＴ不需要关断吸收电路，且可以直接串联工作。

（３）更小的通态及关断损耗

缓冲层的采用使得在相同正向击穿电压下ＩＧＣＴ器件厚度减少３０％，从而大大减少了导通和开关损耗。

７

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（４）更少的外围器件及更低的装置成本

ＩＧＣＴ所独特的特性使得它不需要关断吸收电路。ＩＧＣＴ结构集成了续流二极管，使得装置更加简化、可靠。

按ＩＧＣＴ器件内部结构分为三大类：逆阻型、逆导型和非对称型。

（１）逆阻型（反向阻断型）

ＩＧＣＴ在结构上是一个ＰＮＰＮ晶闸管与一个二极管的串联。电流只能一个方向

（从阳极到阴极）流通，串联的二极管提供了承受反向电压的能力。它适用于电流型逆变器的工作要求。

（２）逆导型（反向导通型）

半导体芯片在结构上是一个ＰＮＰＮ晶闸管与一个续流二极管反向并联，在同一芯片内进行集成。电流可以两个方向流通，不能承受反向电压。因此可大大简化相关构件的压装，使变流装置的体积和重量大大降低。它适用于各种中、高功率电压型逆变器。

（３）非对称型

半导体在结构上是单纯的ＰＮＰＮ晶闸管结构，器件正向能承受高的电压。而反向则只能承受２０Ｖ左右的电压，也不能流过反向电流。使用时要反并联续流二极管，适用于各种高功率电压型逆变器工作。非对称结构也是前面两种结构的基本构成单元，由于结构简洁，因此能做出转换容量更大的器件。

２．２

ＩＧＣＴ器件特性参数

２．２．１阻断参数

断态重复峰值电压ＶＯＲＵ：ＩＧＣＴ在阻断状态能承受的最大重复电压。而对于

４０００Ａ／４５００Ｖ不对称型ＩＧＣＴ，ＶＤＲＭ＝４５００^Ｖ

断态重复峰值电流ＩＤＲＭ：ＩＧＣＴ在重复峰值阻断电压下的正向漏电流。对于

４０００Ａ／４５００Ｖ不对称型ＩＧＣＴ，ＩＤ。。≤５０ｍＡ

直流中间环节电压ＶｏＣＬｉｎｋ：海平面露天环境宇宙射线情况下，１００ＦＩＴ失效率时，ＩＧＣＴ所能长久承受的直流电压（１ＦＩＴ＝１０９小时出现１次失效）。

４０００Ａ／４５００Ｖ不对称型ＩＧＣＴ，、ｋＬｍｋ＝２８００Ｖ

２．２．２机械参数

安装压力ＦＭ：压装ＩＧ－ＣＴ所需要的压力。一般给出最小压力和最大压力两个

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值，标称安装压力取中值。而对于４０００ ^{Ａ／４５００} Ｖ不对称型ＩＧＣＴ，最大安装压力４４ｋＮ，最小安装压力３６ｋＮ，平均值４０ｋＮ。

２．２．３通态参数

最大通态平均电流ＩＴ（ＡＶ）Ｍ：正弦半波电流，壳温Ｔｃ＝８５℃时，ＩＧＣＴ所能允许的最大平均电流。

最大通态电流有效值ＩＴ（ＲＭＳ）：正弦半波电流，壳温Ｔｃ＝８５℃时，ＩＧＣＴ所允许的最大电流有效值。

最大不重复浪涌电流峰值ＩＴＳＭ：此值大小与浪涌电流的持续时间有关。在浪涌电流过后，ＩＧＣＴ不能马上承受电压，要经过一定的时间恢复后，才能承受电压。

ＩＧＣＴ能承受这种浪涌电流的次数是有限的。

通态压降ＶＴ：规定的通态电流下，测得的ＩＧＣＴ通态管压降。

２．２．４开通参数

最大通态电流上升率。形＋

：在规定测试条件下允许的最大通态电流上升率。

／ｕ‘∞‘

开通延时ｔｄ０ＩＩ：从接收到开通命令，阳极电压从稳态值下降到其９０％所需要的时间。

上升时间ｔｒ：阳极电压从稳态值的９０％下降到ｌＯ％所需要的时间。

最小导通时间ｔａｏｎ（。曲：维持导通状态的最小时间。ＩＧＣＴ导通状态的时间应大于此时间。

开通脉冲能量：ＩＧＣＴ开通一次所消耗的能量。

２．２．５关断参数

最大可控关断电流ＩＴＣｒＱＭ：ＩＧＣＴ能够关断的最大电流。

关断延时ｔ枷ｐ从接收到关断命令，到阳极电流下降到ＩＧＣＴ能够关断的最大电流的４０％所需要的时间。

关断脉冲能量Ｅ桥ＩＧＣＴ关断一次所消耗的能量。

２．３

ＩＧＣＴ工作原理

晶闸管的“硬驱动”是指在晶闸管开通、关断过程中的极短时间内，给其门

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阴极加以上升率及幅值都很大的驱动信号。目前“硬驱动”技术已能应用于大功率晶闸管的门极驱动。它能向３０００Ａ晶闸管提供足够的门极关断电流，在ｄｉ／ｄｔ＞

３０００Ａ／Ｉｌｓ的条件下其关断驱动电流大于３０００Ａ，可将被驱动晶闸管的存储时间降至＜２ｕｓ士１００ｎｓ。几乎做到了同步开关，从而获得方形的安全工作区和器件的无吸收工作，使晶闸管的工作状况几乎可与ＩＧＢＴ相媲美［４１。

“硬驱动”技术的优点表现在以下几方面：

１）可使被驱动器件的存储时间下降至¨ｓ左右或基本得以消除。驱动多个并联或串联的器件时，可使各器件存储时间的差异＜１肛ｓ。因此无需大的吸收电容或复杂的ｄｉ／ｄｔ抑制电路，调时电路和ｄｖ／ｄｔ抑制吸收电容。

２）可使晶闸管器件的关断能力大大超过其额定值，系统设计者可根据应用要求在开通频率和功率控制能力之间加以选择，以达到一种合适的组合。

３）不受晶闸管的等级和型号的限制，这极大地方便了设备的制作和维护。因为串联电路上的器件无需具备一致的存储时间。可使许多晶闸管开关的应用问题得以解决，同时降低了损耗，改善了性能。

２．３．１ＩＧＣＴ开通

ＩＧＣＴ的导通机理与ＧＴＯ完全一样，当门极引入正向电流时导通。一旦导通即能在导通状态下自锁（图表４所示）。儡是ＰｌＮｌＰ２晶体管的共基极电流放大系数，ａ，是Ｎ２Ｐ２Ｎｌ晶体管的共基极电流放大系数。图表４中箭头表示各自的多数载流子运动方向。当阳极加正向电压，门极同时加正向电流时，ＩＧＣＴ导通，其具体过程如下，ｌ。’一Ｉ，’寸Ｉ。’一Ｉ，’＿Ｉ，．７，这是一个正反馈过程。当流入的门极电流Ｉ。足以使晶体管Ｎ２Ｐ２Ｎ１的发射极电流增加，进而使ＰｌＮｌＰ２晶体管的发射极电流也增加时，％和ａ，也增大。当％＋ｉｘ：２１之后，两个晶体管均饱和导通，ＩＧＣＴ则完成了导通过程ｐＪ。

ＩＧＣＴ芯片内部由成千上万个ＩＧＣＴ组成。而每个ＩＧＣＴ梳条的特性总会存在差异，使得ＩＧＣＴ梳条的电流分布不均，通态压降不一致，甚至在开通过程中造成个别ＩＧＣＴ梳条的损坏，以致引起整个ＩＧＣＴ的损坏。为此，要求在制造过程中，

尽可能使硅片微观结构均匀，严格控制工艺装备和工艺过程，以求最大限度的达到所有ＩＧＣＴ梳条的特性一致性。另外，要提高正向门极触发电流脉冲上升沿陡度，

以求达到缩短ＩＧＣＴ梳条阳极电流滞后时间，加速导通面积的扩展，缩短开通时间的目的。

ＩＧＣＴ采用更强的门极驱动脉冲能加快开通过程。开通过程的延迟可从几ｕｓ下降至几百ｍ。电路所允许的ｄｉ／ｄｔ不再受晶闸管器件本身的限制，而受限于变流器支路中反并联续流二极管的关断速度。即开通过程中变流器支路的电流将由续

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流二极管换到晶闸管。这样能降低限流电抗器电路的ｄｉ／ｄｔ，从而使损耗、尺寸、

费用下降。强门极脉冲将使阴极的电子注入非常均匀，在阳极电流增大之前降低晶闸管器件的通态压降，从而减小器件的开通损耗。

ＩＧＣＴ的导通是从驱动电路向门极提供驱动电流开始的，分为三个阶段：

延迟时间ｔｄ，阳极电流上升至其稳态值的１０％所需的时间。门极电流的注入引起空穴和电子分别度越Ｎ基区和Ｐ基区，在Ｊ２结两侧积累，并达到Ｊ２结临界正向偏置所需的浓度。ｔｄ受门极电流上升率和峰值电流的影响很大。采用前沿很陡、

幅值很高的硬驱动门极触发电流可以显著减小延迟时间。

上升时间ｔ，，阳极电流从稳态值的１０％上升到９０％所需的时间。Ｊ２结两侧积累的载流子使Ｊ２结最终变为正向偏置。Ｑｌ、Ｑ２逐渐进入正反馈饱和导通状态，阳极电流迅速上升，表明ＩＧＣＴ已经开始导通。

扩展时间ｔｓ，ＩＧＣＴ从局部导通扩散到整个芯片完全导通所需要的时间。与ＩＧＣＴ门极形状，阴极图形等密切相关。采用硬驱动门极触发电流则有利于缩短扩展时间。

通过提高驱动电流的幅值和上升率，可以明显缩小ＩＧＣＴ从局部导通扩散到整个芯片完全导通所需要的时间，缩小芯片中不同的梳条单元开通过程中延迟时间差异。采用这种硬驱动门极触发电流方式，可以提高ＩＧＣＴ自身ｄｉ／ｄｔ耐量，从而减小ＩＧＣＴ阳极回路所需要串联ｄｉ／ｄｔ抑制电感的电感量。这就是所说的ＩＧＣＴ“强

开通”驱动控制。

Ａｎｏｄｅ

Ｃａｔｈｏｄｅ

Ｊ１

Ｊ２

Ｊ３

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、Ｌ

^ｋ

图表４ＩＧＣＴ导通示意图ＦｉｇＡＴｈｅｔｅａ＇ｎ－ｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆＩＧＣＴ

ＩＧＣＴ导通后，为了在阳极电流小于维持电流时保证ＩＧＣＴ仍能维持导通，驱动电路将始终保持门极正向偏置，并向门极提供大小合适的通态门极维持电流。

２．３．２ＩＧＣＴ关断

ＧＴＯ有两个稳定工作状态：“通”和“断”。但在它们之间（开断过程），则是不稳定状态。ＩＧＣＴ采用一种新的低电感驱动电路，在门极（．２０ｖ）偏置状态下，

可获得４０００Ａ／ｇｓ电流变化率。它使得在大约１ｌｌｓ时间内，阳极电压开始上升前，

将全部阳极电流不通过阴极，而从门极流出。晶闸管的Ｐ－Ｎ．Ｐ．Ｎ四层结构暂时变为Ｐ－Ｎ．Ｐ晶体管三层结构，有了稳定的中间状态，一致性好。ＩＧＣＴ的门极峰值关断电流将会非常大。

在ＩＧＣＴ的关断过程中，ＩＧＣＴ能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个ＰＮＰ晶体管以后再关断，所以它无外加ｄｖ／ｄｔ限制。而ＧＴＯ必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即“ＧＴＯ区”，所以需要很大的吸收电路来抑制电压变化率。阻断状态下ＩＧＣＴ的等效电路可认为是一个基极开路、低增益ＰＮＰ晶体管与门极电源的串联。

ＩＧＣＴ无中间区、无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参与以后过程，使器件在双极晶体管模式下关断。阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（门极换向晶闸管即由此得名）。不活跃的ＮｌＰ２Ｎ２管一旦停止注入，Ｐ１ＮｌＰ２管因无基极电流容易关断。ＩＧＣＴ成为ＰＩＮＩＰ２管早于它承受全阻断电压的时间，所以ＩＧＣＴ可像ＩＧＢＴ无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间

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很短…Ｊ。

ＩＧＣＴ关断电路原理如图表５所示。ＩＧＣＴ内部所有电流被首先从阴极换流至ＩＧＣＴ门极，并通过ＩＧＣＴ的门极以及门极驱动电路内继续流通。ＩＧＣＴ从晶闸管模式进入晶体管模式，内部Ｑ１、Ｑ２间正反馈状态被破坏。ＩＧＣＴ随即在Ｑｌ基极开路的晶体管模式下将Ｉ。关断。ＩＧＣＴ关断后，门极维持负偏置，以保证ＩＧＣＴ的可靠截止。

当Ｕ。被反向施加到ＩＧＣＴ的门极和阴极之间，ＩＧＣＴ关断过程由此开始，包括三个阶段：

首先门极被反向偏置后，Ｕ。即开始从ＩＧ－ＣＴ的Ｐ、Ｎ基区抽出超量存储的少数载流子。等到少子被基本抽取干净后，Ｊ３结逐步恢复阻断（以阳极电流下降到阳极关断电流的９０％为标志），这段时间称为存储时间（ｔ。）。它与少予寿命、ＰＮ基区宽度有关，驱动电路提供电流大小有关。驱动电流越大，存储时间越小。

其次是下降时间（ｔｆ），Ｊ３结截止后，ＩＧＣＴ阳极电压开始快速建立和上升。Ｊ２结的耗尽层随着阳极电压的上升在Ｎ基区内扩展，ＩＧＣＴ开始逐步恢复阻断能力。

由于ＩＧＣＴ的Ｊ３结在存储时间内已经截止，ＩＧＣＴ的电流也随即从ＩＧＣＴ的阴极换流到门极。因此在下降时间内，电流通过Ｑｌ的发射极和集电极、ＩＧＣＴ门极以及门极驱动电路内继续流通。ＩＧＣＴ关断电流越大，下降时间越长。较高的门极电流上升率可以缩短ＩＧＣＴ关断下降时间。关断电流较大的ＩＧＣＴ，驱动电流应该设计较大的门极电流上升率。

最后是拖尾时间（ｔｔ），Ｎ基区及其它区域内剩余的存储电荷无法通过门极电流抽取，只能通过复合而逐渐消失。因此在ＩＧＣＴ关断过程的末期，阳极电流总是拖着长长的尾巴，相应的时间称为拖尾时间。它主要取决与器件的生产制造工艺，

受驱动参数的影响不大。

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ＡｎｏｄｅＡｎｏｄｅ

图表５ＩＧＣＴ的关断状态Ｆｉｇ．５^Ｔｈｅｔｕｒｎ－ｏｆｆｐｒｏｃｅｄｕｒｅ^{ｏｆｌＧＣＴ}

１４

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３集成门极驱动电路设计原理

ＩＧＣＴ是一种电流控制型器件，其开关动作是通过门极电流来实现的。ＩＧＣＴ

“硬驱动”对门极电流的要求，使得ＩＧＣＴ门极驱动电路的设计比ＩＧＢＴ等场控型器件复杂。ＩＧＣＴ要求的门极驱动电流的幅值远远大于ＩＧＢＴ等模块驱动，这就要求门极电路中的漏感非常小。在ＩＧＣＴ内部是通过印刷电路板把ＩＧＣＴ芯片与门极驱动电路直接相连的。集成门极驱动电路的性能将直接影响到ＩＧＣＴ性能。下面结合ＩＧＣＴ各种工作状态下的工作原理，介绍驱动电路板设计方法。

３．１门极驱动板结构

目前我们设计的门极驱动器有两种结构（如图表６）。一种是用门极驱动电路环绕ＩＧＣＴ器件，并与ＩＧＣＴ和冷却装置形成一个自然整体。这种环绕型ＩＧＣＴ主要是１１００ ^{Ａ／４５００} Ｖ逆导型ＩＧＣＴ器件，安装拆卸非常方便（如图表７）。另外一种是４０００^{Ａ／４５００}Ｖ不对称ＩＧＣＴ器件。将ＩＧＣＴ与门极驱动器相距尽可能的近，

可以轻易的装入不同的装置中，该结构是一种通用形式。这两种结构都可以让ＩＧＣＴ在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。

１１００Ａ／４５００Ｖ逆导ＩＧＣＴ组件１１００Ａ／４５００ＶＲｅｖｅｒｓｅ

ＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＩＧＣＴ

４０００Ａ／４５００Ｖ不对称ＩＧＣＴ组件

４０００Ａ／４５００ＶＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ^ＩＧＣＴ

图表６自主设计开发１ＧＣＴ组件

Ｆｉｇ，６ＴｈｅｈｏｍｅｍａｄｅＩＧＣＴＡｓｓｅｍｂｌｙ

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图表７１ＧＣＴ器件的安装和拆卸示意图

Ｆｉｇ．７ＴｈｅＩＧＣＴａｎｄｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓｌｉｄｅｏｎｔｏｔｈｅｃｏｏｌｅｒｔｏｆｏｒｍａｓｉｎｇｌｅｕｎｉｔｂｏｔｈｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ

图表８是为株洲南车时代电气公司配套设计研制的４０００ ^{Ａ／４５００} Ｖ不对称ＩＧＣＴ集成门极驱动电路原理框图。驱动电路采用２４ ^Ｖ～４０Ｖ交直流电源供电，

并通过内部稳压电源产生５ ^Ｖ、１５Ｖ控制电源。整个驱动器由开通电路、关断电路、

逻辑监控电路、检测保护电路和光纤接口、ＬＥＤ状态指示等部分组成。其中，开通部分向ＩＧＣＴ提供开通脉冲电流和通态门极维持电流。关断部分则负责控制ＩＧＣＴ的关断。逻辑监控部分，采用可编程逻辑控制芯片ＦＰＧＡ作为控制核心。它可以协调和控制不同部分电路的工作。

为了提高ＩＧＣＴ驱动单元的抗干扰性能并便于高压大功率变流装置领域的使用，ＩＧＣＴ驱动单元采用光纤进行控制信号和反馈信号的传输：控制信号（ＣＳ）用于控制ＩＧＣＴ的导通和关断。反馈信号（ｓＦ）则用于回馈ＩＧＣＴ的当前状态。

光纤接口ＲＸＤ和ＴＸＤ电路用于实现驱动器与控制系统之间的信号联系。逻辑监控电路和检测保护电路负责监视ＩＧＣＴ组件工作状态，并在出现故障时进行保护和报警。ＬＥＤ状态指示可以反馈ＩＧＣＴ组件工作状态，便于现场工作人员监视。

ｔ６

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３．２内部电源设计

图表８ＩＧＣＴ集成驱动单元原理框图Ｆｉｇ．８^ＴｈｅｂｌｏｃｋｏｆｌＧＣＴｇａｔｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ

在使用过程中，ＩＧＣＴ整个驱动回路所需的电气绝缘强度，主要取决于ＩＣｒＣＴ变流装置的电压等级、技术条件以及相关标准的具体要求。ＩＧＣＴ常被用于高压大功率变流装置，ＩＧＣＴ变流器的电压等级可从几千伏到几十千伏的水平。为了满足ＩＧＣＴ变流器的需要，对ＩＧＣＴ驱动回路绝缘等级的要求不但普遍较高，而且差异也非常大。如果要设计能够满足所有系统技术和成本要求，具有“标准”电气绝缘强度的ＩＧＣＴ是非常困难的。

ＩＧＣＴ驱动单元被设计成与ＩＧＣＴ器件的阴极直接相连，与器件处于相同电位，

驱动单元自身不再具备任何电气绝缘能力。在使用过程中，用户必须根据变流器的具体情况及要求，在提供给驱动单元的供电电源回路上自行设置合适的电气绝缘环节。

门极驱动单元的功率消耗包括两个部分：门极驱动单元自身工作的损耗和驱动ＩＧＣＴ器件消耗的功率。前者在不同的工作条件下变化不大。而后者则与ＩＧｃＴ的开关频率、关断电流和电压的大小等都有很大的关系，变化范围也比较大。用户在设计时要考虑到ＩＧＣＴ器件应用场合，给驱动单元提供合适的驱动功率。

驱动电路板采用交直流输入方式，交直流输入电压经过驱动单元内部的整流和滤波电路，先变换成直流，然后再由开关电源变换成稳定的直流电压，供驱动单元内部电路使用。输入的电压必须符合以下要求：电源电压的峰值小于４０Ｖ；

交流电压整流（取绝对值）后的平均值，在最大功率消耗的情况下要求大于２４Ｖ；

交流输入电压的频率应小于１００ｋＨｚ，推荐的电压频率范围为１５～１００ｋＨｚ。如果采用５０％占空比１５～１００ｋＨｚ的方波供电，方波的幅值应在２４～４０Ｖ之间。

内部电源包括两部分，一部分是开关电源，将输入２４～４０Ｖ之间的电压进行变换，输出ｕ。＝２０Ｖ，最大输出功率为１００Ｗ。以及ＬＭ２５７５组成的输入２０ｖ，

输出５Ｖ开关电源。另一部分是直流线性稳压电源，输出直流１５^Ｖ、５ｖ等，给驱动电路内集成电路芯片供电，以及作为检测电路的基准电压源。

由于ＩＧＣＴ器件不同的应用场合，给驱动单元提供的驱动功率是不同的，最大驱动功率高达１００Ｗ。因此采用体积小、重量轻、高效率的开关电源。在相同功率容量下，开关电源效率更高，体积更小，但设计比较复杂，电磁干扰更为严重。

对于输出１５^ｖ、５ｖ等给集成电路芯片供电的电源来说，提供的功率则要相对小得多，可以直接采用线性稳压电源。虽然效率不高，但成本低，输出稳定。

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３．２．１开关电源原理分析

开关电源具有工频变压器所不具备的优点，新型、高效、节能的开关电源代表着稳压电源的发展方向。因为开关电源内部工作于高频率状态，本身的功耗很低，电源效率就可做得较高，一般均可做到８０％，甚至接近９０％。这样高的效率不是普通工频变压器稳压电源所能比拟的。开关电源常用的单端或双端输出脉宽调制（ＰｗＭ），省去了笨重的工频变压器，可制成几瓦至几千瓦的电源。

按时间比率控制原理，开关电源有三种调制方法：脉冲宽度调制方法，脉冲频率调制方法和混合调制方法ｉｌ“。

ＰｗＭ（脉宽调制），开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

因为周期恒定，所以滤波电路设计容易，但受最小导通时间限制。

ＰＦＭ（脉冲频率调制），脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方法，输出电压可调范围比ＰＷＭ大。但是滤波电路要能在较宽频率范围内工作，

因此滤波器的体积较大。

混合调制，脉冲宽度和开关工作频率均不固定，是以上两种方法的混合。ｔｏｌｌ，

Ｔ相应变化。在ｆ变化不大的情况下，能得到非常大的可调范围输出电压。

ＰＷＭ电压型控制，只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，将电压误差放大器采样放大，误差信号经过驱动电路功率放大得到开关管控制信号。当输入电压突然交小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容及电感，

输出电压的变化将会有延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延迟滞后，所以暂态响应慢。优点：单一反馈电压闭环设计，调试比较容易。对输出负载变化有较好的响应调节。缺点：对输入电压变化动态响应比较慢，输出ＬＣ滤波器给控制环增加了极点。

ＰＷＭ滞环电流控制，将电感电流信号与两个电压值比较。第一个较高的控制电压值ｕ。为输出电压，它控制开关器件的关断时刻。第二个较低的控制电压值Ｕ。，由电压ｕ。减去一个固定值ｕ。而得到。ｕ。为滞环带，Ｕ曲控制开关器件的开启时刻。优点：不需要斜坡补偿，稳定性好，不容易因噪声而发生不稳定振荡。

缺点：需对电感电流进行周期性检测和控制。

开关电源控制分为误差电压检测法和检测电流法。误差电压检测法，将反馈电压输入到电压误差放大器高增益运算放大器反相端。参考电压输入到运放同相端，运放的输出就是参考电压和输出电压的差值。电压误差信号控制电源供给负载的能量。

检测电流，保证电源输出电流不超过他的额定功率。测量电流平均值和瞬时值两种，瞬时值可以保护功率器件的瞬时电流。电流滞环控制，对峰值和谷值进

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行控制，用在电流连续模式下比较好，

开关电源设计要求输入２４～４０ ^Ｖ采用降压型开关电源（图表９所示）。

但是结构有点复杂，但响应速度快。

输出２０Ｖ，最大输出功率为１００Ｗ。直接

综合比较几种调制方法，本方案采用ＰＷＭ电压控制，直接利用开关电源芯片ＳＧ３５２４（图表１０是内部结构图）。它包括了几乎所有的开关电源需要的控制电路，

参考电压，误差放大器，振荡器，脉宽调制器，脉冲触发器，双交替输出开关，

电流限制器，关闭电路等。ＳＧ３５２４是商用级芯片，温度范围从Ｏ℃到７０＂Ｃ。它可

以应用于正激，反激式变换器，也可用于半桥式，桥式，推挽式开关稳压电涮１３】。

基准电压调整器输出５Ｖ，供电所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。振荡器的频率由外接电阻ＲＴ、ｃＴ决定，周期近似值Ｔｓ＝Ｒ。ｘＣ。，一般ＲＴ是

１．８Ｋ～１００Ｋ电阻，ｃＴ是０．００１心～０．１心。在ＣＴ两端可得到一个从０．６^{ｖ～３．５}^Ｖ

变化的锯齿波，振荡频率可达３５０ｋＨｚ，可直接带负载。

误差放大器，是差动放大器，其功能是保证闭环系统的调节精度。它的增益标称值为８０ｄＢ，其大小由反馈或输出负载决定。它可以是纯负载或是电阻电容的组合。为使电源系统稳定，在９脚对地之间接ＲＣ网络，补偿系统的幅频、相频响应。

电流限制器，输出与误差放大器并联，控制脉冲宽度。当＋、一端间的电压加为２００ｍＶ的限流检测电压时，输出占空比下降到２５％左右。当检测电压再增加约５％，输出占空比为０，所以必须小心的整定输入电压。

闭锁控制器，利用外部电路控制１０脚电位。当１０脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此可用于软启动和过电压保护。

比较器，ＣＴ的锯齿波电压与误差放大器电压经过比较器比较。ＣＴ电压高于误差放大器的输出电压时，比较器输出高电平，或非门输出低电平，输出三极管Ａ、

Ｂ转为截止。

触发器和或非门，经触发脉冲，双稳态触发器两输出端Ｑ和Ｑ．，分别交替输出高、低电平，以控制输出级或非门输入端。

输出级，由两个中功率ＮＰＮ管构成。每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出１００ｍＡ，组间是相互隔离的。

选用不同的ＣＴ、Ｒｒ，可调节振荡器的频率。误差放大器的输出９脚与误差放大输入端之间接上电阻与电容进行频率补偿。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端会出现一个随误差放大器输出电压的高低而改变宽度的方波脉冲。将此方波脉冲送到或非门的一个输入端，或ｔ｝ｌ＇－Ｊ的另两个输入端分别为双稳态触发器，振荡器锯齿波。最后在晶体管Ａ、Ｂ上分别出现脉冲宽度随ｖｂ变化而变化的脉冲波，但两者相位相差１８０。。

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图表９开关电源控制原理图Ｆｉｇ．９Ｔｈｅ^{ｃｉｒｃｕｉｔ}ｏｆｓｗｉｔｈｉｎｇ^{ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ}

图表１０ＳＧ３５２４内部结构图

Ｆｉｇ．１０ＴｈｅｂｌｏｃｋｏｆＳＧ３５２４

首先经过全桥整流滤波电路，将交流电压转化为直流电压，并滤除噪声干扰。

输入滤波电路是一阶ＲＣ滤波电路，与输入电源接口并联，其时间常数很小，

北京交通大学 硕士学位论文