集成门极换流晶闸管原理及驱动
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理及驱动课件
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。
05
IGCT的发展趋势与展望
IGCT的技术发展趋势
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更高频率
随着电力电子技术的进步， IGCT有望在更高频率下工 作，提高转换效率。
更高电压
通过改进材料和结构设计， 实现更高工作电压的IGCT， 以适应高压大功率应用。
集成化与模块化
将多个IGCT集成在一起， 形成模块化结构，简化电 路设计，提高可靠性。
IGCT的优点
01
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高可靠性
由于采用了集成门极驱动器， 减少了外部元件数量，提高了
系统的可靠性。
高开关速度
IGCT具有快速的开通和关断 速度，能够实现高频率的开关
操作。
低损耗
由于其低导通损耗和低开关损 耗，使得IGCT在高压大电流 的应用场景下具有显著的优势。
低驱动电流
较小的驱动电流使得IGCT的 驱动电路更为简单，降低了成
IGCT的基本结构
IGCT由一个硅芯片和相应的铜电极构成，包括阴 极、阳极和门极。
阴极连接至外部电源，阳极作为输出端，门极则 用于控制电流的通断。
IGCT的硅芯片上集成了门极驱动电路，使得其具 有较高的集成度和可靠性。
IGCT的工作原理及过程
【资料】集成门极换流晶闸管(igct)原理及驱动汇编
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。
集成门极换流晶闸管(IGCT)原理 及驱动
一、电力电子器件的发展
20世纪60年代开始，电力电子器件得到了迅速发展，从SCR(普通晶闸 管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧 化物硅场效应管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双 极型晶体管)、IGCT(集成门极换相晶闸管)、IECT(注入增强型门极晶体 管)、IPM(智能功率模块)。每一种新器件的出现都为电力变换技术的发 展注入了新的活力，它或拓展了电力变换的应用领域，或使相关应用领 域的电力变换装置的性能得到改善。
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
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)
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。
晶闸管
电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反
馈，晶闸管仍可维持导通状态。
晶闸管关断的条件： 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应
不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极
间加反相电压。
2019年7月21日星期日
2019年7月21日星期日
4、强触发
ig
作用：1）脉冲前沿越陡，导通面积
Ikm 0.9Ikm
扩展速度越快；
2）晶闸管串并联时，保证
晶闸管同时开通。
强触发形式：Ikm通常为Ik1的5倍。
Ik1
t1：脉冲前沿时间，上升速度>0.5A/us;
t1 t2 t3
t
t2：强触发脉冲宽度>50us;
t3：触发脉冲持续时间≥550us(10°)。
三相桥式全控整流电路
√=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每
一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见图2。
√=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平 均3。值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图 ☞当>60时
√因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管 关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。
√=90时的波形见图4。
2019年7月21日星期日
三相桥式全控整流电路
◆三相桥式全控整流电路的一些特点 ☞每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的 回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相 的晶闸管。
☞对触发脉冲的要求 相√位6个依晶次闸差管60的 脉。冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，
晶闸管和IGBT有什么区别
晶闸管和IGBT有什么区别？功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。
因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。
用GTO 晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。
几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。
绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。
其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。
IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。
而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。
由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。
虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。
集成门极换流晶闸管（IGCT）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器件。
门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有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，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。
IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。
目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。
1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。
集成门极换流晶闸管
集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）是一种高性能功率电子器件，适用于大功率、高频应用。
它结合了晶闸管（thyristor）和摩斯场效应管（MOSFET）的优点，提供了低压降、高效率和高可靠性。
在这篇文章中，我将详细介绍集成门极换流晶闸管的工作原理、特点和应用领域。
让我们了解一下集成门极换流晶闸管的结构。
它由四个层次的PNPN结构组成，与传统的晶闸管相似。
然而，集成门极换流晶闸管在晶体控制结构上引入了摩斯场效应管的特性，使其具有更低的开启电阻和较高的开关速度。
此外，它还引入了专门的门级驱动电路，可以更好地控制晶闸管的导通和关断。
这种设计使得集成门极换流晶闸管在高频开关应用中具有更好的性能。
集成门极换流晶闸管的工作原理也是相对简单和直观的。
当施加正向电压到晶体控制结构时，晶体控制结构中的PN结变为导通状态，从而使得晶闸管导通。
相比传统晶闸管，由于集成了门级驱动电路，集成门极换流晶闸管的开启速度更快，电流上升更快。
当施加反向电压或去掉门级信号时，集成门极换流晶闸管会迅速关闭，从而截止电流。
这种可控性和高效性使得集成门极换流晶闸管在高频应用中非常有用。
集成门极换流晶闸管具有许多优点。
首先，它具有低开启电阻和较小的电压降，使得能量损耗较低。
其次，集成门极换流晶闸管具有较高的开关速度和反向恢复特性，可在高频应用中实现高效能转换。
此外，它还具有稳定的工作特性和较高的可靠性，抗过电流和过压冲击能力强。
最后，集成门极换流晶闸管的封装和散热设计也相对简单，降低了制造成本。
集成门极换流晶闸管在许多领域中都有广泛的应用。
首先，它被广泛应用于交流输电系统和高速列车的牵引系统中，以提供高效率的功率转换和电机控制。
其次，它也用于逆变器和直流电源中，以实现高频开关和能量传输。
此外，集成门极换流晶闸管还被用于电力电子设备、电动汽车和电能储存器等应用中，提供高效率、可靠性和稳定性的电源控制和传输。
IGCT大功率器件
集成门极换流晶闸管（IGCT）1.电力电子器件发展电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车’’。
现代电力电子技术无论对改造传统-t-业(电力机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等)都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。
它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为21世纪重要关键技术之一。
电力电子器件是现代电力电子设备的核心。
它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或者不同频率的电能进行交流—直流(整流器)，直流一直流(斩波器)，直流一交流(逆变器)和交流一交流(变频器)变换。
这种开关模式的电力电子变换在与国民经济发展密切相关的关键科学技术中有着重要的应用。
首先，在节能和环保方面，电力电子变换在能源能量转换和能量输配过程中具有很高的效率，如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约1／3的能源，而未来电力能源中的80％要经过电力电子设备的转换。
其次，在信息和通信技术中，通过开关模式的电力电子变化可以为计算机与通信设备提供稳定的可靠的电源。
此外，在交通运输中，电动汽车和电力机车的都和电力电子变换密切相关。
“一代器件决定一代电力电子技术。
’’现代电力电子技术基本上是随着电力电子器件的发展而发展起来的。
从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。
80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20％'-'--30％，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。
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。
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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。
2.IGCT 的结构特点
IGCT与GTO结构相似，它也是四层三端器件，内部由上千个GCT单元组成，阳极和门极共用，而阴极并联一起，故也是多元功率集成器件，便于门极关断控制。
IGCT是通过印刷电路板将
IGCT芯片与其门极驱动电路连接在
一起，将门极驱动回路电感限制在
nH级，为实现“门极换流”和“硬
驱动”奠定了基础。
缓冲层技术
通常在器件设计中，如果
需要高的阻断电压值，就得要求硅
片的厚度增加。
但硅片厚度的增加
必将导致导通和开关损耗的增大。
IGCT采用缓冲层结构后，在相同阻断电压下，硅片厚度和标准结构更薄，从而大大降低了导通和开关损耗，从而提高了器件的效率。
采用缓冲层还使单片GCT 与二极管的组合成为可能。
可穿透发射区
也称透明阳极，透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。
因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。
IGCT在GTO 结构的基础上，去掉阳极短路点，并利用了可穿透发射区技术。
其发射效率和电流密度密切相关。
在低电流密度下，其发射效率很高。
但在大电流密度下，阳极的注入效率将很低。
实现门极换流需要依靠这个结构。
门极硬驱动技术
门极硬驱动技术是指在晶闸管开通和关断的过程中的极短时间内,给其门极加以上升率和幅值都很大的驱动信号，可使被驱动晶闸管存储时间将至us 级，几乎做到同步开关，使晶闸管器件的关断能力大大超过其额定值。
系统设计者可根据应用要求在开通频率和驱动功率控制能力之间加以选择，以达到一种合适的组合，在加速开关速率的同时降低开关损耗。
此外IGCT还采用了阴极疏条结构、阴极杂质分布、离子注入扩散工艺、精密光刻工艺、疏条成型工艺、无机膜及刻蚀工艺和溅射复合材料等工艺。
3.IGCT 的工作原理
IGCT 常采用下图所示的双晶体管模型进行等效分析。
在阳极正向偏置条
I
件下，IGCT 的阳极电流可由下式给出
A。