IGCT的工作原理和开关波形详解

IGCT是由电力半导体器件GCT和其门极驱动电路集成在一块PCB而成，如图2-15所示，GCT管芯被封装在一个腔体中并固定在PCB上和其门极驱动电路相连，形成IGCT。

图2-15 GCT和IGCT

1994年，ABB公司在德国收到一个功率要求为100MVA的订单，需要基于硬驱动（Hard Driven）GTO的大功率级联。实际上，这一HD-GTO的观念在1993年12月，ABB公司已向其潜在的客户展示了。1996年，ABB公司成功将这一设计完成投入使用，并且被证明具有极好的可靠性，此后HD-GTO备受关注，新技术的运用也越来越提高了其性能，和普通GTO相比有了质的飞跃，1997年正式定名为集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thristor，IGCT）。它是GCT与门极驱动电路一体化的结构，是一个“可以100％发挥晶闸管潜能的系统”。

如今，IGCT已达到了6kA／6kV的水平，使用硅材料制作的单管耐压有的可达10kV，其管芯尺寸为34～130mm，相关电参数从4.5～6kV／6kA形成了一个系列产品，在中压大功率领域越来越广泛地被应用。

IGCT的开通特性和GTO的基本相同，但是由于其结构上的改进，驱动电路的低感优化设计，开通时的电流上升率很大，这样减小了开通时间，开通损耗大大降低。对于一个4000A通流能力的GCT，门极驱动电流要达到200A，维持时间大约为5μs。其开通时阳极电流的上升率要达到1000A／μs，这样门极电流的上升率要保证100A／μs以上。(www.xing528.com)

IGCT的关断原理基于GCT的关断，和GTO有明显的区别。如图2-16所示，GTO的阴极电流是被逐渐抽取走的，在关断过程中阴极电流有一个拖尾现象，而GCT的阴极电流被快速换流到门极上，其关断增益为1，这点是通过其超低电感的门极驱动电路来完成的，其门极电流上升率可以达到3000A／μs，有些甚至可以达到6000A／μs，这样其存储时间可以缩短到1μs左右，相比GTO，其关断损耗大大减小，在高频时，其优越性就更加得以凸显。而且在关断过程中，GCT两端不需要并联吸收电路，使回路变得简单，而且降低了其开关过程的损耗。

图2-16 GCT和GTO的关断原理图

由于开关效率的提高，相比于GTO，IGCT可以工作于更高的频率下，达到1kHz，而GTO的工作频率限制在300Hz。此外，由于IGCT的开通和关断的时间短，速度很快，不同的IGCT开通和关断的时间先后差很小，有很好的同步开通特性，这样，IGCT的级联相对于GTO具有更好的可靠性。

为了进一步提高IGCT的通流能力，需要加大GCT的尺寸，然而由于大尺寸效应会引发很多问题，造成大尺寸GCT单位面积的通流能力比小尺寸的GCT要小，且各个小GCT单元难以保证基本相同，而在关断过程中电流会有一个电流集中现象发生，可能会造成局部过热，这点是要避免的。通常对于大尺寸GCT，要对其各个小GCT单元进行优化设计，对于关断时会发生电流集中区域的载流子寿命进行控制，适当减小，通常这些区域位于远离环状门极区域。当这些区域的载流子寿命减小后，开通状态时电流密度会小于未经过处理的GCT单元，关断时其积累的过剩载流子复合的速度也会加快，减小了关断电流集中带来的负面影响。