對于IGCT重觸發(fā)閾值設(shè)置的研究

摘要：集成門極換流晶閘管(IGCT)作為一種新型電流型器件，它是在門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。由于IGCT集成了門極換流晶閘管(GCT)和門極驅(qū)動電路，具備高壓大電流等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于大功率場合。IGCT器件的特殊性，決定了它應(yīng)用于電壓源型變流器時有特別之處。這里從IGCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合IGCT器件的開通原理及門極驅(qū)動電路工作原理，分析了IGCT的重觸發(fā)機(jī)理，并指出IGCT需要重觸發(fā)的必要性。進(jìn)而通過介紹在IGCT驅(qū)動板中實(shí)現(xiàn)重觸發(fā)的方法，提出內(nèi)部重觸發(fā)閾值需合理設(shè)置的結(jié)論。為正確設(shè)置重觸發(fā)閩值，提出一種實(shí)驗(yàn)方案來模擬在電壓源型逆變器中IGCT需重觸發(fā)的工作情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案可驗(yàn)證內(nèi)部重觸發(fā)閾值是否設(shè)置合理，從而提高IG CT應(yīng)用的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：電壓型逆變器；晶閘管；驅(qū)動電路；內(nèi)部重觸發(fā)

1 引言
IGCT集成了GCT和門極驅(qū)動電路，具備了類似IGBT的優(yōu)良開通和關(guān)斷能力及GTO高壓大電流等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓變頻器、風(fēng)力變流器等大功率場合。某公司自主開發(fā)了1100A／4 500V逆導(dǎo)型和4 000A／4 500V不對稱型大功率GCT器件，并由某大學(xué)配套開發(fā)了相應(yīng)驅(qū)動板。
在此針對不對稱型IGCT的開通原理，結(jié)合其驅(qū)動電路的原理及在電壓源型逆變器中的使用，分析了IGCT重觸發(fā)的必要性。重觸發(fā)閾值設(shè)置對觸發(fā)效果有一定影響，對此提出一種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行合理設(shè)置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 IGCT的觸發(fā)原理
2．1 IGCT的開通原理
IGCT按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為逆阻型、非對稱型和逆導(dǎo)型3種。逆阻型一般適用于電流型逆變器；非對稱型一般應(yīng)用于電壓型逆變器；逆導(dǎo)型IGCT由GCT和反并聯(lián)二極管集成而來。IGCT結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO類似，同樣為PNPN四層結(jié)構(gòu)，在制造過程中采用了幾項(xiàng)特殊的技術(shù)：緩沖層技術(shù)、透明發(fā)射極和逆導(dǎo)技術(shù)。

圖1為IGCT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路。ICCT作為電流控制型功率器件，與GTO的導(dǎo)通機(jī)理完全一致，如圖1b所示，可分為兩部分，即P1N1P2，N2P2N1晶體管，其共基極電流放大系數(shù)分別為α1，α2。圖1b中箭頭表示各自的電流方向。當(dāng)GCT陽極A加上正向電壓，同時門極G也加上正觸發(fā)信號時，IGCT將進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，具體過程為：iG↑→iC2↑→iA↑→iC1↑→iC2↑，可見，這是一個正反饋過程。當(dāng)門極電流iG增加到使晶體管N2P2N1的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P1N1P2的發(fā)射極電流也相應(yīng)增加時，α1，α2也增大。當(dāng)α1+α2>1后，兩個等效晶體管均飽和導(dǎo)通，至此IGCT的導(dǎo)通過程結(jié)束。
2．2 IGCT驅(qū)動電路的原理
IGCT驅(qū)動電路由外部電源輸入，然后通過內(nèi)部開關(guān)電源給邏輯監(jiān)控電路和開通關(guān)斷電路提供穩(wěn)定的電壓。由外部發(fā)出一個光信號，通過信號接收電路傳給邏輯監(jiān)控電路，進(jìn)而讓開通電路向IGCT門極注入強(qiáng)觸發(fā)電流iG≥150 A，且上升率diG／dt≥100 A／μs，達(dá)到IGCT的“硬驅(qū)動”要求，從而使器件開通。開通后，當(dāng)陽極電流iA大于維持電流時，器件可持續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)iA低于維持電流時，將會出現(xiàn)器件自關(guān)斷情況。為避免該情況發(fā)生，在驅(qū)動板中設(shè)置了維持導(dǎo)通環(huán)節(jié)，即當(dāng)器件導(dǎo)通后，門極依然有電流注入，并通過邏輯監(jiān)控電路的控制來實(shí)現(xiàn)注入電流大小的調(diào)節(jié)；關(guān)斷也是由外部信號給入，通過邏輯監(jiān)控電路發(fā)出指令控制關(guān)斷電路，實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。為保證器件可靠關(guān)斷，在關(guān)斷過程中直至結(jié)束始終保持門極負(fù)偏置。圖2為驅(qū)動電路原理示意圖。

2．3 IGCT重觸發(fā)的必要性
在IGCT導(dǎo)通期間，當(dāng)出現(xiàn)iA小于維持電流時，可能會出現(xiàn)自關(guān)斷現(xiàn)象。為提高可靠性，驅(qū)動電路會在器件導(dǎo)通后繼續(xù)提供一個持續(xù)的門極維持電流，即通態(tài)維持電流。對于逆導(dǎo)型IGCT或配有反并聯(lián)二極管的非對稱型IGCT而言，當(dāng)反并聯(lián)二極管續(xù)流導(dǎo)通時，會在IGCT陽-陰極間加一個較小的反壓，進(jìn)而影響到iG的流向，即iG可能會流向陽極而不是陰極，如圖3所示。與此同時，IGCT門極電流方向的改變會導(dǎo)致門-陰極間的等效二極管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗瑥亩鳬GCT將處于不完全導(dǎo)通情況。當(dāng)主電路的負(fù)載電流從反并聯(lián)二極管換向并流入IGCT時，IGCT相當(dāng)于一個門極沒有充分觸發(fā)的晶閘管，隨著陽極負(fù)載電流上升會產(chǎn)生一個陽極電壓上升率。雖然這種“功率脈沖”很小，但由于IGCT的導(dǎo)通不充分均勻，將造成IGCT局部過熱，從而影響器件可靠性甚至損壞器件。在這種情況下，需對IGCT重觸發(fā)。