(完整版)IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动课件
IGCT在高压直流输电中的应用
总结词
高电压、大容量
详细描述
IGCT在高压直流输电中作为核心的开关器件，能够承受高电压和大电流的冲击，保证直流输电的稳定性和可靠性 。
IGCT在轨道交通牵引系统中的应用
总结词
高频率、低损耗
详细描述
IGCT在轨道交通牵引系统中作为逆变器的主要开关器件，能够实现高频率的开关动作和低损耗的能量 转换，提高牵引系统的效率和可靠性。
触发脉冲同步与去抖动
为确保触发脉冲的有效传输和可靠触发，需要采取同步和去抖动措 施，以提高驱动系统的稳定性和可靠性。
IGCT的驱动保护技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 2 3
过电流保护
当IGCT的工作电流超过额定值时，需要采取有效 的过电流保护措施，以避免设备损坏和故障扩大 。
过电压保护
当IGCT的工作电压超过额定值时，需要采取有效 的过电压保护措施，以避免设备损坏和绝缘击穿 。
IGCT在未来的应用前景
风电与光伏逆变器
利用IGCT的高效性能，实现风电和光伏系统的稳定并网。
智能电网
作为关键的电力电子器件，IGCT在智能电网的能量转换和调度 中发挥重要作用。
轨道交通
在轨道交通牵引系统中，IGCT可提高系统的能效和可靠性。
如何应对IGCT发展中的挑战
加强基础研究
加大对IGCT材料、器件结构、驱动与控制等方面的研究力度，突破 关键技术瓶颈。
本。
IGCT的应用领域
HVDC
01
FACTS
02
03
电机控制
IGCT的高电压和大电流特性使其 成为高压直流输电系统的理想选 择。
通过使用IGCT，可以灵活地控制 交流输电线路的电压和阻抗，提 高电力系统的稳定性。
IGCT简单介绍
02
随着新能源、智能电网等领域的快速发展，IGCT的应用领域将
进一步拓展。
智能化和集成化
03
未来IGCT将更加注重智能化和集成化的发展，实现与其他电力
电子器件和控制系统的无缝集成。
06
IGCT市场前景与挑战
市场规模及增长趋势分析
市场规模
IGCT（集成门极换流晶闸管）市场目前处于快速增长阶段，预计未来几年市场规模将持续扩大。随着电力电子技 术的发展和新能源市场的崛起，IGCT作为一种先进的功率半导体器件，在电力转换、电机驱动等领域具有广泛的 应用前景。
提升自身竞争力。
主要厂商概述
ABB、三菱电机、西门子等国际知名半导体厂商在IGCT领域具有较高的市场份额和品 牌影响力。这些厂商在技术研发、产品创新、市场拓展等方面投入大量资源，不断推动 IGCT技术的进步和应用领域的拓展。同时，国内的一些优秀半导体企业也在积极布局
IGCT市场，通过自主研发和技术创新不断提升自身实力。
04
IGCT性能评估与测试方 法
性能评估指标体系建立
静态特性评估
包括断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态平均电 流等参数，用于评估IGCT在静态条件下的耐压和耐流能力 。
动态特性评估
包括开通时间、关断时间、开通延迟时间、关断延迟时间 等参数，用于评估IGCT在动态条件下的响应速度和开关性 能。
大电流
IGCT具有较大的电 流容量，能够满足大 功率转换的需求。
低损耗
IGCT在导通和关断 过程中损耗较小，提 高了电能转换效率。
快速开关
IGCT具有快速的开 关速度，能够实现高 频率的电能转换。
应用领域及优势
电力系统
IGCT可用于高压直流输电、柔性交 流输电等领域，提高电力系统的稳定 性和效率。
第二章 - 5_IGBT(电力电子技术)
主要解决挚 住效应
改善饱和压降和开 关特性：N+缓冲 层、P+层浓度、 厚度最佳化、新 寿命控制，饱和 压降、下降时间 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制，饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
19
2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
11
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
12
正向电流密度（A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降（V） 16
3
温度特性
功率MOSFET 导通时温升沟道电阻速增，200度时可达室温时的3倍。考 虑温升必须降电流定额使用。 IGBT 可在近200度下连续运行。导通时，MOS段的N通 道电阻具有正温度系数，Q2的射基结具有负温度系数，总 通态压降受温度影响非常小。
13
IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数： • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
基于Saber的高压大功率IGCT器件的建模与仿真研究
基于Saber的高压大功率IGCT器件的建模与仿真研究张新民;李明勇;代科【摘要】According to the characteristics of turn-on process and turn-off process, IGCT＇s functional model is constructed in the paper. The schematics of the model and the parameters are presented in detail, and the model is applied in circuit simulation for the dynamic characteristics of the 1GCT device. With the comparison to experimental waveforms, the effectiveness and practicality of the presented model is validated.%本文根据IGCT开通关断过程中电压电流波形特点,建立IGCT的功能模型。
文中给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的开通关断暂态分析。
通过仿真结果及与实验波形的对比分析,验证了该模型的有效性及实用性。
【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)003【总页数】4页(P41-44)【关键词】IGCT;功能模型;Saber【作者】张新民;李明勇;代科【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064;中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064;中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言由瑞士ABB公司研发的大功率IGCT器件，以其低感的门极驱动电路，优化的可控硅技术，高度集成化，应用简易化等优点，成为中压传动领域，机车牵引，工业，输配电行业的半导体器件的可靠选择[1]。
IGCT---段廷平
IGCT的发展、特点及其应用机电081段廷平 200800384121晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件,它是将GCT芯片与其门极驱动器以低电感方式集成在一起,综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点,具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点,而且成本低、成品率高,因此有着广泛的应用前景。
因此,有必要对IGCT器件进行深入的应用研究,并设计一套能够对IGCT器件进行高压大电流测试实验的设备。
本文从IGCT器件出发,介绍了IGCT器件的结构,工作原理,关键技术,IGCT与GTO、IGBT的比较,IGCT的特性参数及门极驱动电路原理。
文章从IGCT器件扩展到整个IGCT模块,对IGCT功率相单元模块进行了计算和仿真分析。
从整体上阐述了IGCT相单元模块的电路原理。
用仿真和计算分析了相单元模块中钳位保护电路对器件开通和关断过程的影响。
分析了相单元电路中杂散电感对器件关断过电压的影响,提出了减小杂散电感的方法。
阐述了反并联二极管对IGCT器件的影响,提出二极管的反向恢复特性对IGCT的关断过电压有较大影响。
在分析IGCT功率相单元模块的基础上,我们设计了一套IGCT功率相单元测试实验平台。
该平台由电源控制柜和器件测试柜组成,在设计中重点考虑了测试试验的安全性和测试功能的多样性。
对该测试实验平台的电路进行了仿真,表明了测试电路的合理性。
根据仿真和计算进行了相关器件选型和测试平台的制作。
最后在测试实验平台上进行了一些初步的IGCT相单元脉冲测试,挑选了一些测试结果,对被测波形进行分析,测试结果表明该测试实验平台的设计是有效和合理的,它能完成对IGCT功率相单元的测试,来辅助IGCT器件进一步研究,为使用IGCT器件取代现有中压变频中H桥单元的IGBT器件打下基础。
一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动
三、基于ABB不对称型IGCT—5SHY35L4510的驱动电路 1. 5SHY35L4510简介
阻断参数：
断态重复峰值电压VDRM:IGCT在阻断状态能承受的正向最大重复电压(门极加-2V 以上反向电压)。VDRM=4500V
断态重复峰值电流IDRM:IGCT在重复峰值阻断电压下的正向漏电流(门极加-2V以 上反向电压)。IDRM≦50mA
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor — GTO）是在SCR问世后不久出现的全控型器件，其 电气图形如右图所示。
主要优点是：全控，容量大，工作可靠 主要缺点是：开关速度比较慢，需要门极大电流
才能实现开断，关断控制较易失败
3.电力晶体管（GTR）
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译过来
其次在J3结截止后，IGCT阳极电压开始快速建立和上 升，IGCT开始逐步恢复阻断能力。由于IGCT的J3结在存储 时间内己经截止，IGCT的电流也随即从IGCT的阴极换流到 门极。因此电流通过Q1的发射极和集电极、IGCT门极以及 门极驱动电路内继续流通。IGCT关断电流越大，下降时间 越长。较高的门极电流上升率可以缩短IGCT关断下降时间。
具体的导通过程如下：
当UGK被反向施加到IGCT的门极和阴极之间，IGCT关 断过程由此开始，包括三个阶段:
首先门极被反向偏置后，UGK即开始从IGCT的P、N基 区抽出超量存储的少数载流子。等到少子被基本抽取干净 后，J3结逐步阻断，这段时间称为存储时间(ts)。它与少子 寿命、PN基区宽度有关，驱动电路提供电流大小有关。驱 动电流越大，存储时间越小。
压且IGCT承受这种浪涌电流的次数是有限的。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动
4.电力场效应晶体管（MOSFET） 4.电力场效应晶体管（MOSFET） 电力场效应晶体管
主要指绝缘栅型电力场效应晶体管 绝缘栅型电力场效应晶体管（Metal 绝缘栅型电力场效应晶体管 Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 （Static Induction Transistor——SIT）。 MOSFET电气图形如右图所示。 主要优点是： 主要优点是：全控，驱动功率小，开关时间最 短、正温度系数 主要缺点是：容量小，通态压降比较大 主要缺点是：
5.绝缘栅极双极晶体管（IGBT） 5.绝缘栅极双极晶体管（IGBT） 绝缘栅极双极晶体管
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar 绝缘栅双极晶体管 Trቤተ መጻሕፍቲ ባይዱnsistor）其电气图形如右图所示。 主要优点是： 主要优点是：综合了GTR和MOSFET的优点 主要缺点是：存在擎柱效应 主要缺点是：
具体的导通过程如下： 当UGK被反向施加到IGCT的门极和阴极之间，IGCT关 断过程由此开始，包括三个阶段: 首先门极被反向偏置后，UGK即开始从IGCT的P、N基 区抽出超量存储的少数载流子。等到少子被基本抽取干净 后，J3结逐步阻断，这段时间称为存储时间(ts)。它与少子 寿命、PN基区宽度有关，驱动电路提供电流大小有关。驱 动电流越大，存储时间越小。 其次在J3结截止后，IGCT阳极电压开始快速建立和上 升，IGCT开始逐步恢复阻断能力。由于IGCT的J3结在存储 时间内己经截止，IGCT的电流也随即从IGCT的阴极换流到 门极。因此电流通过Q1的发射极和集电极、IGCT门极以及 门极驱动电路内继续流通。IGCT关断电流越大，下降时间 越长。较高的门极电流上升率可以缩短IGCT关断下降时间。
集成门极换流晶闸管原理及驱动
集成门极换流晶闸管（IGCT）———原理及驱动电气信息工程学院自动化10-02班卢靖宇541001010225集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)1997年由ABB公司提出。
该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT 集成于一个整体形成的。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。
主要优点是： IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且制造成本低，成品率高，有很好的应用前景。
IGCT、GTO和IGBT的比较：比较的器件及容量为:IGCT----4500V/3000A，GTG---4500V/3000A， IGBT----3300V/1200A。
集成门极换流晶闸管（IGCT）的电气符号二、IGCT的结构和工作原理1.IGCT 的分类按内部结构来分，IGCT可以分成以下三类:(l)不对称型(Asymmetric)在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，器件能正向承受高电压，但不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。
一般需要从外部并联续流二极管。
(2)反向阻断型(逆阻型)(Reverse blocking)在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管的串联，电流只能从一个方向(从阳极到阴极)流通，串联的二级管为这类器件提供了承受反向电压的能力。
(3)反向导通型(逆导型)(Reverse conducting)在结构是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管的反向并联，电流可以两个方向流通，不能承受反向电压。
由于GCT与续流二极管集成在同一个芯片上，不需要从外部并联续流二极管，变流器在结构上更加简洁，体积更小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究
集成门极换流晶闸管(IGCT)是一种新型大功率半导体器件,它是将门极换流晶闸管(GCT)和门极驱动器以低电感方式通过印制电路板(PCB)集成在一起,具有很好的应用前景。
GCT的开通和关断需要借助集成门极“硬驱动”电路完成,驱动电路的优劣直接影响到器件的优良特性能否实现,因此必须严格控制电路中的杂散电感。
并且,在驱动电路和应用系统的设计时缺少IGCT的电路仿真模型。
本文针对以上问题,对4500V/4000AIGCT电路模型和驱动电路的关键技术进行研究和探讨,主要内容有以下几个方面:1.研究IGCT的开关原理和内部换流机理,建立IGCT的“硬驱动”电路仿真模型(M-2T-3R-C),该模型能够较准确地表征IGCT开关特性和内部换流机理,在电路仿真时可以
替代GCT器件。
对关键模型参数进行分析与提取,验证该模型的准确性。
在此基础上建立了双芯GCT(Dual-GCT)的电路仿真模型,将仿真波形与同条件下的实验波形对比,验证了该模型的准确性。
并基于SiC 功率MOSFET的IGCT电路模型进行参数提取,仿真结果表明采用SiC 功率MOSFET的电路模型与普通Si MOSFET的相比,可将IGCT的关断时间缩短3vs。
该模型为IGCT及其派生器件的应用奠定了基础。
2.针对4500V/4000A IGCT的“硬驱动”要求,关断时门极电流的上升率要达到-4000A/μs以上,杂散电感必须控制在5nH。
为了控制关断回路的杂散电感,首先对关断箝位电路进行优化分析,提取了箝位电容
和箝位电阻的优化值。
然后,研究关断回路的杂散电感的分布,优化电路布局抑制杂散电感,将关断回路总杂散电感从13.6nH降低到4.7nH,
最终达到3.5nH,使门极电流峰值和上升率分别达到-6120A和
-5720A/μs,满足4500V/4000AIGCT的驱动电路关断能力的要求。
3.根据“硬驱动”电路的指标,研究了开通、维持、关断驱动电路的工作原理,针对其各部分需要解决的关键问题,提出完整的电路原理图,基于本文所建立的IGCT硬驱动电路仿真模型进行电路仿真。
为了防止GCT在通态时发生误关断,深入研究了二次触发电路,并确定了二次触发脉冲的幅值和上升率。
研究了IGCT驱动的逻辑控制和监测电路,设计了4500V/4000AIGCT驱动电路。
4.设计并制作了
4500V/4000AIGCT驱动电路PCB,搭建测试电路,对主驱动电路门极电流、阳极电压和监测电路进行实验验证。
利用IGCT实验测试台,采用二次脉冲测试法对整体驱动电路进行测试,结果表明所设计的驱动电路可以实现对4500V/4000A IGCT的可靠驱动,并在体积、开通延迟时间、关断延迟时间等方面均优于ABB公司同等级IGCT产品的驱动板。