IGCT门极驱动电路的原理分析

郑小刚1,2,谢　军3

(1.安徽理工大学机械工程系,安徽淮南232001;2.上海铁路局阜阳车辆段,安徽阜阳236000;

3.安徽职业技术学院电气工程系,安徽合肥230051)

[摘　要]　在目前的中电压大功率应用领域,占主导地位的功率半导体器件有晶闸管、G T O和IG BT等,这些传统的功率器件在实用方面都存在一些缺陷。ABB半导体公司率先

提出了一种新型功率半导体器件—IG CT。它的关键思想是将改进结构的G T O与

反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方

式连接。在性能上明显优于目前广泛使用的G T O和IG BT器件。着重对IG CT门

极驱动电路的结构和原理进行了介绍和分析。

[关键词]　IG CT;门极驱动电路;硬驱动

[中图分类号]　T N36　[文献标识码]　B　[文章编号]　167229943(2005)05200203

0　前　言

在电力大功率应用领域中,对理想的功率半导体器件有如下特性要求:电流容量大、开关速度快、开关频率高、结构紧凑、阻断电压高、损耗低、可靠性高、成本低。但在实际中,由于技术水平的局限,许多功率半导体器件如SCR、G T O、IG BT,虽有很大进展,但在实际应用方面仍存在一些缺陷。在激烈的市场竞争下,ABB半导体公司推出了一种可以满足这些要求的新型半导体功率开关器件一集成门极换流晶闸管(Integrated G ate C ommutat2 ed Thyristor)简称IG CT。它是做了重大改进的G T O,反并联了二极管以及集成门极驱动电路,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接[1]。

1　IG CT的简单工作原理

IG CT由集成门极驱动电路和G CT组成,其导通与普通G T O一样,由于两晶体管中每一管集电极电流同时就是另一管基极电流,故形成强烈正反馈而使两者饱和导通,因而具有携带电流能力强和通态压降低的特点;关断状态下,G CT门极-阴极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,因此,在IG CT关断以前,已从晶闸管结构转换为晶体管结构。

当门极电压反偏时,阻止阴极注入电流,全部阳极电流瞬间(1μs)强制转化为门极电流,像一个失去阴极正反馈作用的NPN晶体管,阳极电流从门极均匀流出,即瞬间从导通态转变为阻断态(而G T O在导通态和阻断态之间有一个过渡态)。如想去掉过渡的G T O区而关断,或者说使器件在晶体管模式下关断,就必需在P基N发射结外施很高的负电压,使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),也就是在阳极PNP晶体管实现前,阴极的NPN晶体管已停止发射。综上所述,G CT开通瞬时处于NPN晶体管状态;导通时为晶闸管状态;关断瞬间处于PNP晶体管状态;截止时也为PNP晶体管状态。

2　IG CT门极驱动电路

2.1　门极驱动单元框图

门极驱动单元方框图如图1所示。

2.2　光接口

光控接口采用在工业生产中广泛使用的标准元器件,它由Agilent技术生产的HF BR系列,推荐的标准型号光纤是1mm POF(塑料光纤),既经济又便于使用。对于超过15m的长距离推荐使用200μm的HCS光纤(硬包层石英光纤)。

光接收器:Agilent,HF BR22528型,光输入功率P oncs>-21dBm(1mm POF),光噪声功率P offcs<-40dBm,光脉冲宽度门槛t G LITCH≤400ns,对宽度≤400ns的光信号没有响应。

光发射器:Agilent,HF BR21528型;光输出功率P onsF>-19dBm,光噪声功率P offsF<-50dBm。

2.3　IG CT的门极硬驱动原理

2.3.1　硬驱动开通

开通脉冲通过图2的开通电路产生。先闭合

46能源技术与管理　　　　　　　　　　2005年第5期V1,V2,V3,在L1,L2中建立起脉冲电流,当电流达到一定幅值后,先断开V2,然后再断开V3,电感中的电流换流至门极端子,脉冲电流波形如图3所示。

由于门极电路的电感很低,门极电流的上升极快,这样就保证IG CT在运行温度范围内可靠而均匀导通。因此,硬驱动原理有助于IG CT开通时的可靠和稳定性。阳极电流的di/dt也可以相应提高。从而减小di/dt电抗器的尺寸和费用。

IG CT开通之后阳极电流不会马上流通。在电流源逆变器中二极管的关断有时会延迟电流换向进入工作中的IG CT。开通脉冲的第二部分设计符合换向的要求。

开通脉冲产生之前先断开图4中的开关V6

。

Rx1光管接收器;T x1光发射器

图1　

门极驱动单元方框图

图2　

开通脉冲产生图

图3　开通脉冲电流波形

2.3.2　硬驱动关断

如图4所示电路,当将V6开通时,电容C对

门极反向放电,将IG CT关断。由于电路的极低电

感(5到15nH取决于IG CT的型号)和大电容器

组,IG CT对门2阴极端的电磁噪音不敏感。

与IG CT相比较,传统的G T O驱动装置大约

有200nH的电感和更小的电容器组

。

图4　断态和关断电路

2.3.3　通态

当发出开通脉冲时建立起通态门极电流如图

5所示。通过电流反馈控制V4斩波,

将门极电流

图5　通态门极驱动原理图

控制在一定的水平上,V4开关频率可达60kH z～

56 2005年第5期　　　　　　　郑小刚等　IG CT门极驱动电路的原理分析70kH z。通态门极电流参考值由环境温度控制,环境温度低,参考电流大,反之则小。

2.3.4　断态时的门极驱动

通过闭合图4中的V6,整体的阳极电流在G CT开始建立阳极电压之前从阴极换流至门极。在此之前,通过断开图5中的V5关断通态门极电流。因此,可以避免著名的G T O效应,例如阴极的挤流效应和关断过程的电流传导不均匀。同时不使用关断缓冲电路就可获得稳定的和低损耗的高关断能力。

IG CT关断后,图4中的V6继续处于闭合状态,门极和阴极之间有20V反向电压,使IG CT处于可靠关断状态。

3　结　语

IG CT是在传统G T O技术基础上发展起来的,具有G T O的制造成本低,成品率高的优点;又具有IG BT的优点:关断均匀,开关速度快,通态损耗低,对散热要求不高;门极驱动功率小,不须保护性的吸收电路。IG CT将G T O技术与现代功率晶体管IG BT的优点集于一身,由于IG CT在大功率电力电子应用中公认的重要性,目前已开始在世界范围内掀起了对IG CT器件技术研究的热潮。

[参　考　文　献]

[1]李洪剑,王志强,余世科.IG CT及IG CT变频器[J].半

导体技术,2004,29(5):292.

[作者简介]

郑小刚(1972-),男,工程师,安徽理工大学在读工程硕士研究生,现工作于上海铁路局阜阳车辆段。

[收稿日期:2005-04-16]

(上接第36页)

从表5可知,锅炉的吨位越大,改造锅炉所需投入的资金也就越多,热效率也就越高,其中以015t/h的锅炉改造资金最少,为9万元,锅炉改造后热效率也最低,为80%;10t/h的锅炉改造资金最多,为65万元,锅炉改造后热效率最高,能达到91%。经过产出分析后发现,6t/h的改造锅炉获得的经济效益最好,回收期限最短,为6年;其次为2t/h的锅炉,为7年;1t/h和10t/h的改造锅炉的经济效益最差,几乎不能产生经济效益。因此,就经济效益分析,6t/h和2t/h的锅炉改造方案可行,1t/h和10t/h的锅炉改造方案可行性不高。

[参　考　文　献]

[1]重庆市清洁能源行动领导小组办公室1重庆市清洁

能源行动规划[R]1重庆:重庆市清洁能源行动领导小组办公室,20021

[作者简介]

欧春华(1980-),女,汉族,湖南长沙人,重庆大学硕士研究生毕业,主要从事环境规划与环境管理方面的研究。[收稿日期:2005-06-07]

Discussion on the Action of City Clean E nergy from the Project of Changing Coal to Coal G as

Ou Chun-hua

(Fujian Provincial Institute of Environmental Science,Fuzhou350013,China)

Abstract:T o deal with increasingly critical air pollution,Chongqing municipality is carrying out the project of changing coal into coal gas,known as city clean energy action.Based on introduction of the project con2 tents and scopes,the article evaluated and analyzed the project organization and leadership,necessary policy,g overnmental management and operation,investment and results.

K ey w ords:Clean energy action;Changing coal to coal gas;Evaluation and analysis

66能源技术与管理　　　　　　　　　　2005年第5期