集成门极换向晶闸管（IGCT）的应用和特点

1.GCT 门极换向晶闸管（GCT）是一种高耐压大电流器件的新型GTO，具有非常强的关断能力。一般的电流型变频器要求开关器件有很强的阻断能力和自关断能力，GCT则可以满足电流型变频器的这一要求，从而实现其控制性能，可以与电压型变频器相媲美。目前GCT的开关速度是GTO的10倍，不需采用浪涌电路，其最高阻断电压可达6kV。尤其工作电流可达4kA。GCT的出现扩大了变频器在电力系统的应用领域。

GCT的特点：GCT是在GTO基础上开发的新型晶闸管。反向阻断型GCT的结构图如图1-42所示。反向阻断型GCT保证了在正向和反向都具有同等的阻断电压。GCT开通时，由强脉冲使PN结J₃均匀导通，不存在GTO导通区由局部向中心扩展的情况。GCT关断时，依靠强脉冲使PN结J₃停止阴极注入电流，其后关断性质与PNP晶体管相似。这种开关器件适用于需要具备反向阻断能力的电流型变频器上。图1-42所示仅是GCT内的一个微元胞结构。整个器件由3000多个这样的微元胞并联组成，可见其结构的复杂性。

2.IGCT 集成门极换向晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyrister，IGCT）是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，是一种关断增益为1的晶闸管。它由GCT芯片和门极驱动器集成而成，在外围以低电感方式相连接。IGCT结合了双极型晶体管IGBT的稳定关断能力和大功率晶闸管GTO的正向特性的优点。它适用于中高压大容量变频器系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力电子器件，使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。

图1-42 IGCT内部结构

a）非对称型GCT b）反向导通型GCT

IGCT的结构和特点：

IGCT是GCT和集成门极驱动电路的合称，两者之间通过极低的阻抗连接而成。其结构相似，是四层三端器件。IGCT内部由几千个小GCT微元胞组成，它们之间共用一个阳极，而阴极和门极则分别并联在一起，有利于实现门极关断控制，图1-42为IGCT的一个微元胞结构。GCT的结构由五部分组成（见图1-43），分别为硅片、阳极和阴极亮铜、铜片、门极环和门极环端子，对于逆导型器件，硅片又包含CGT部分和二极管部分。GCT的阳极内侧掺杂了较重的缓冲层，由可穿透的透明阳极和集成快速续流二极管结构形成。

IGCT分为非对称型，反向阻断型，反向导通型。非对称型IGCT不具有承受反向电压和流过反向电流的能力，是由单纯的PNPN晶体管构成的；反向阻断型IGCT可承受反向电压，但不能承受反向电流，其结构是由PNPN晶体管和二极管串联组成；反向导通型IGCT，由于其结构为PNPN晶体管和二极管反向并联，所以允许流过双向电流而不会存在反向电压。

当IGCT导通时，与GTO的导通原理相同，在晶闸管内部形成一个正反馈过程，阳极电流逐渐增长，携带的电流能力强，通态压降较低。在关断状态下，IGCT门-阴极间的PN结提前进入反向偏置，并有效地退出工作，整个器件呈晶体管方式工作，该器件在这两种状态下的等效电路如图1-44所示。

图1-43 IGCT外形结构图

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图1-44 IGCT的导通状态和阻断状态的工作原理

a）GCT导通状态 b）GCT关断状态

IGCT关断时，与阴极串联的门极P沟道MOSFET先导通，阴极N沟道MOS-FET关断，使阳极电流由阴极转变为从门极流出。转换时间非常短，门极和阴极间的PN结反向偏置，迅速退出工作区，这样便把GTO转化成为一个无接触基区的PNP晶体管。消除了载流子的收缩效应，不但能够使IGCT快速关断，还可以使它的最大关断电流比传统GTO的额定电流高出许多。很强的反向门极电流使IGCT的所有微元胞几乎同一时间关断，这样就缓和局部的电流集中，而无需浪涌电路。

由于IGCT的关断过程是以晶体管模式进行关断的，关断过程中允许更高的阳极电压上升率。另外，IGCT门极驱动单元的特殊设计，关断时所能承受的di/dt可以比标准的GTO驱动大两个数量级，关断动作更加可靠。因此IGCT兼有晶闸管的低通态压降和高阻断电压，以及晶体管稳定的关断特性，是一种比较理想的大功率半导体开关器件。目前，已经成为高功率、高电压、低频变流器的优选功率器件之一。

IGCT的主要参数：

（1）断态重复峰值电压U_DRM：IGCT门极能承受的最大重复反向电压。

（2）断态重复峰值电流I_DRM：在重复峰值电压下IGCT的正向漏电流。

（3）最大通态平均电流I_TAM：在正弦半波电流、管温为85℃时，IGCT所能允许的最大平均电流。

（4）通态压降U_T：额定通态电流下，IGCT的管压降。

（5）最大通态电流的上升率di/dt_erit：在规定条件下，允许的最大通态电流的上升速度。

（6）最大可控关断电流I_TGQM：IGCT可关断的最大电流。

其中，IGCT的安全工作区由直流电压、最大关断电流I_TGQM、断态重复峰值电压U_DRM、最大通态电流上升率di/dt_erit四个界限围成。