IEGT—电力半导体器件家族中的新成员

IEGT—电力半导体器件家族中的新成员注入增强栅晶体管IEGT1引言众所周知，人类第一个晶闸管(SCR)发明到今已近50年。电力电子成套装置不断对电力半导体器件提出新的、更高的要求，这些要求可概括为dv/dt和di/dt尽可能的高，开关速度尽可能的快，通态压降尽可能的低，而通流能力尽可能的大。这些要求成为电力半导体器件发明和进步的直接推动力，促使如今电力半导体器件并已形成了一个庞大的家族。几年前人们普遍看好MOS控制晶闸管MCT，由于这类器件压降低于IGBT，并且无二次击穿现象，dv/dt和di/dt可分别达到2000V/μs和20000A/μs以上，应用它可以制成无缓冲器的变流器，所以，有人当时过早断言“MCT将把所有电力半导体器件赶进棺材，并钉上最后一颗钉子。”但过了七、八年，由于当今电力半导体工艺水平和材料的限制，极低的成品率和昂贵的成本导致MCT相继被美国GE公司和Harris公司暂停研究，几乎到了被打入冷宫的地步。集成门极换向晶闸管IGCT和注入增强栅晶体管IEGT的发明，给电力半导体器件带来了新的生机。本文旨在探讨IEGT的工作原理、参数和特性，并举例说明其应用。2IEGT的工作原理和特性及参数2.1工作原理IEGT的基本结构电路及符号如图1所示，它对外引出共3个端子，分别称为集电极C、发射极E和栅极G。最先由日本东芝公司开发并投放市场，其开通过程和关断过程如图2的a与b所示，其工作过程可分析如下：图1IEGT的结构与符号a)开通过程b)关断过程图2IEGT的开通与关断机理示图(1)开通过程IEGT的开通过程如图2a所示。当在IEGT的栅-射极之间及集-射极之间加上正向电压时，由于IEGT横向门极长度较长，N区的横向电阻较大，限制了空穴，电子在P区的表面形成反向垫垒，因而导致注入的电子从发射极通过该势垒向N区移动，引起电子在该电场的作用下，大量从集电极向N区朝着P区移动，而空穴则直接通过发射极电场漂移，但仍有一部分空穴在靠近门极的区域积累起来。这部分积累起来的空穴使从N区发射极注入的电子越来越多，以后重复上述过程形成正反馈，最终使载流子全部存贮在N区，结果便使IEGT导通。(2)关断机理IEGT的关断机理可由图2b所示的模型来分析，当IEGT的栅-射极加上反向电压时，原在栅极P区表面形成的反向势垒便消失了，因而从N区发射极注入的电子便停止。同样从P区集电极注入的空穴也就停止运动，积存在N区的多余电子和空穴互相中和，多余的电子回到集电极重新与空穴中和，而多余的空穴回到发射极与电子中和，从而使开通时形成的反向势垒消失，进而使N区的载流子停止运动，IEGT也就快速关断。2.2IEGT的特性IEGT的工作特性主要有开通特性和关断特性，分别如图3a与图3b所示，其特性可分析如下：a)开通特性b)关断特性图3IEGT的开通与关断特性示图(1)开通特性图3a给出了IEGT的开通特性。开通特性可以分为三段来分析。第一阶段(Ⅰ)：尽管控制电路输入的栅极控制信号，使IEGT栅极电位从关断态的低电平(OV)变为要求IEGT导通的高电平(+15V)，但由于栅-射极间分布电容CGE的充电，栅-射极驱动信号经过一段延时(td(on))后，上升到接近栅-射极开通电压VGE(on)。第二阶段(Ⅱ)：由于VGE≥VGE(on)，从IEGT集电极注入的电子逐渐增多，集电极电流IC缓慢上升。由于IC增加，集-射极电压仍然维持原电压值不变。此阶段因位移电流的影响，VGE基本上保持在VGE(on)不变。第三阶段前半段(Ⅲa)：由于IC增加，栅极与集电极分布电容的影响迅速减小，因而位移电流迅速下降。当VGE上升到+15V时，使从N区发射极注入的电子迅速增加，加速了电子向集电极运动及空穴向发射极运动的速度使IC快速上升。这种从发射极注入电子的过程，是一个快速的、不稳定的过程。第三阶段后半段(Ⅲb)：到达稳态后，IC的增加停止，空穴和载流子的运动进入稳定状态，从而完成了IEGT的开通。(2)关断特性图3a给出了IEGT的关断特性。其关断特性同样可以分为三段来分析：第一阶段(Ⅰ)：尽管控制电路输入的栅极控制信号，使IEGT从导通态的高电平(ON)变为要求IEGT导通的低电平(OFF)，但由于栅-射极间分布电容CGE的充电，栅-射极驱动信号经过一段延时(td(off))后，才下降到接近栅-射极关断电压VGE(off)。第二阶段(Ⅱ)：由于VGE≤VGE(off)，从IEGT集电极注入的电子逐渐减少，所以集电极电压VCE缓慢上升。由于VCE增加，集-射极电流仍然保持原电流值不变。此阶段因位移电流的影响，VGE基本上保持在VGE(off)不变。第三阶段前半段(Ⅲa)：由于VCE增加，栅极与集电极分布电容CGE的影响迅速减小，因而位移电流迅速下降。当VGE下降到-15V时，使从N区发射极注入的电子停止；剩余在集电极的电子和空穴分别向发射极和集电极移动，使VCE快速上升。这种从发射极抽走电子并带着空穴注入的过程是一个短暂而不稳定过程。第三阶段后半段(Ⅲb)：到达稳态后VCE的增加停止，剩余的载流子被中和，从而完成了IEGT的关断过程。2.3IEGT的参数表征IEGT性能的电压参数有集-射极最大额定电压VCES、栅射极最大额定电压VGES、集射极通态电压VCE(sat)、栅射极关断电压VGE(off)及集射极反向电压VF，表征其特性的电流参数有集电极电流IC、集电极峰值电流ICP、集电极反向电流IR、栅射极漏电流IGES、集电极关断电流ICES和内部续流二极管反向恢复电流Irr等，除这些参数外，还有开通能量Eon、关断能量Eoff、反向恢复能量Edsw、集电极功耗PC、结温Tj、存贮温度Tstg、输入电容Cies、反向安全工作区FBSOA、正向安全工作区RBSOA、断态临界电压上升率dv/dt、通态临界电流上升率di/dt，热阻Rthjc、安全压接力、开通时间、关断时间、开通延迟时间、关断延退时间等。有关这些参数的含义及详细介绍可参文献[3]3IEGT的应用技术3.1IEGT与GTO和IGBT的比较[2](1)载流子浓度的比较图4给出了GTO、IGBT、IEGT载流子浓度及载流子运动方向的比较。从图显见，电子的运动方向对GTO来讲是从阴极流向阳极，而对IGBT和IEGT来讲是从发射极流向集电极，空穴的流动方向正好与上述相反。由图还可以看出，三者中IGBT在发射极集聚的载流子浓度最低，且从集电极注入的空穴通过P区向发射极运动，由此决定了IGBT有较高的饱和压降和较低的阻断电压；GTO在阳极与阴极集聚的载流子浓度较高，这就是GTO具有低通态压降和高阻断电压的原因，IEGT在集电极和发射极集聚的载流子浓度与GTO一样有较高的浓度，不同之处表现在电子注入增强效应，所以IEGT具有GTO低饱和压降和高阻断电压的双重优良性能。图4GTO、IGBT、IEGT载流子浓度比较示图(2)IEGT与GTO安全工作区的比较IEGT比GTO有更大的安全工作区，图5给出了4500V、3000A的IEGT与GTO的安全工作区比较。由图可见，IEGT比GTO有更大的安全工作区。图5IEGT与GTO安全工作区的比较示图(3)IEGT与GTO门极单元的比较表1给出了驱动同容量的IEGT和GTO各自所需的栅极或门极参数比较。图6给出了驱动波形中这些参数的含义，由图显见IEGT驱动要求的功率很小。表1IEGT与GTO栅极或门极驱动参数的比较参数GTOIEGT参数GTOIEGTVon/V0.515Voff/V-20-15Ipon/V501.4Ipoff/A4002tpon/μs301.0tpoff/μs305Ion/A80.5PW/W200~3000.13ton/μs100013图6IEGT与GTO希望的驱动波形及驱动波形中参数的含义(4)高阻断电压状况下，通态压降和开关时间及可应用场合的比较在高阻断电压的条件下，IEGT的通态压降要比IGBT低得多，而稍高于GTO，但它的可工作频率要比GTO高得多，其开关响应要比GTO快得多，更何况目前IEGT的额定阻断电压已高于IGBT，所以它可用于容量比IGBT高，而工作频率比GTO高的电力电子设备中。(5)基本电路结构中元件的数量和额定容量及效率的比较IEGT应用中不需像GTO那样，对每个GTO必需增加复杂的di/dt(阳极串联限流电感及dv/dt抑制网络，每个GTO阳-阴极并联R-C-D缓冲器)，它仅需在正、负母线之间增加一个RCD吸收网络就足够了。图7a、b分别给出了GTO与IEGT用于电压源逆变器系统中每个单相桥逆变器的基本单元示图。由图可见，应用IEGT所用元器件总数为7个，而同容量GTO所用元件数为28个，是IEGT逆变器的四倍。IEGT内部本身集成有续流二极管，而GTO还需外接续流二极管，这就造成了大容量GTO变流器续流二极管安装困难，要满足分布电感的要求及容量参数的匹配选择是不容易。有关资料证明，图7中IEGT基本单元的总损耗为GTO基本单元总损耗的53%。a)GTOb)IEGT图7IEGT与GTO使用中的基本单元示图图7a中所示的GTO模块每六个单元的额定容量为9MVA，而图7b所示的IEGT模块每六个单元的额定容量为10MVA。应用上述基本单元组成的电压型逆变器，经实测GTO逆变器的总效率为96.8%，而IEGT逆变器的总效率为98.3%，显然IEGT逆变器相对于GTO逆变器有更高的效率。3.2IEGT的应用举例IEGT的上述优良性能使其可方便地用于电压型逆变器、速调管阳极调制器等电力电子设备中，现举例说明其应用。(1)用于速调管阳极调制器IEGT可以取代真空电子管用于速调管阳极调制器中。图8给出了其电路结构框图与工作波形，图中共计使用了近40个IEGT，工作直流电源电压100kV。东芝公司已研制出这种产品并投放市场，整个设备采用油冷却。(2)图9给出了东芝公司应用IEGT制作的20MVA电压型多电平IEGT逆变器的原理电路图。该电路用于电网闪烁抑制系统中，由两个10MVA的变流器串联而成，等效正弦波频率为3120Hz，变压器二次测电压为1430V、交流电流1165A。经实测，逆变器中每个功率单元(四个IEGT组成的单相逆变桥)体积仅为同容量GTO功率单元的31%，而效率比使用GTO逆变器提高了近2%，每个10MVAIEGT逆变器的外形尺寸仅为长×宽×高=2800mm×2200mm×3000mm。a)电路框图b)开关波形和额定值图8应用IEGT于速调管阳极调制器系统示图图9应用IEGT构成的20MVA电压型逆变器电路示图4结论综上所述，我们可得下述结论，IEGT的开关频率高于GTO，而低于IGBT，通态压降高于GTO，而低于IGBT。目前，单管容量高于IGBT而小于GTO，其安全工作区宽，应用于电力电子设备中时，可使驱动电路、缓冲电路得到简化，因而使整个电力电子设备的效率提高，毫无疑问，其在电力电子设备中的应用前景将是十分广阔的。参考文献：[1]李宏电子电源用电力半导体器件的新进展.国外电子元器件，1999(11)，P41~P43[2]李宏编著.电力电子设备常用功率器件和模块.中国电工技术学会电力电子学会、中国电源学会特种电源专业委员会.2000年7月[3]李宏编著.电力半导体器件及其驱动控制集成电路.北京：机械工业出版社,2001年6月[4]王正元世纪更迭中的电力电子器件.中国电工技术学会电力电子学会五届一次理事会文集.西安：1999年5月，P6~P7免费考研网