为便于 IGCT 与 GTO、IGBT 的应用比较,下面从使用角度对三种 3.3 kV 器件的部分特性作粗略比较,见表1-11。可见 IGCT 兼具 GTO 与 IGBT 两者的优点。IGCT 的应用情况可从可靠性、吸收与钳位电路、功率和频率及其适用范围方面讨论。
表1-11 三种 3.3 kV 器件的特性比较
1. 可靠性
实际应用中,可靠性是衡量电力电子装置的重要指标,装置所用分立元件数目越少可靠性越高。可靠性一般用失效率(FIT)表示,FIT 依赖芯片数、键合线、焊接质量、结终端结构、工作温度、机械与电应力等因素。单个半导体芯片典型的固有失效率为 10 FIT(即 10⁹ 器件工作时内有 10 次故障);门极自身含许多有源和无源元件,失效率约 500 FIT。采用不同元件的逆变器失效率不同。表1-12 给出用于大功率逆变器(3 MVA/600 Hz)的 GTO、IGBT 与 IGCT 的比较,可见 IGCT 在可靠性、损耗、质量、体积、热循环能力、模块化水平等指标上均优于 GTO 与 IGBT。
表1-12 用于大功率逆变器(3 MVA/600 Hz)GTO、IGBT、IGCT 的比较
当器件电流增加时失效率也相应提高。由于可靠性要求总元件数低于一定值,使用时在价格与可靠性两方面难以很好协调,需折衷考虑。
2. 吸收电路和钳位电路
理想的开关既不需要吸收电路也不需要钳位电路,并允许电流电压快速变化。实际应用中由于实际负载(如电动机)不能接受这种运行方式,因此要求理想开关足够慢,以使其负载及相关电路的电压、电流不会急剧变化。理想的 IGCT 在合适门极下主要呈类晶体管特性,门极不能控制阳极的 du/dt、di/dt,其阳极电压上升率 du/dt 可由基极开路的阳极 PNP 晶体管控制,并由设计的阳极区掺杂确定,一般可确定在 1500 V/μs 与 4000 V/μs 之间,目前能实现的约为 3000 V/μs。因此关断 du/dt 不可能也不需要采用门极控制,更无需用任何吸收电路限制。这不仅提高 IGCT 开关速度与可靠性,也减小了吸收回路产生的损耗。
开通时几百安培的门极脉冲电流加在 IGCT 上,其内部承受 di/dt 的能力很大,而与之集成的续流二极管(FWD)内部承受 di/dt 的能力却受到限制,故需对 FWD 开通电流的 di/dt 加以限制。因此 IGCT 与 IGBT 最大的不同是:IGCT 必须有外部 di/dt 吸收电路,而 IGBT 可通过门极控制来限制 di/dt。
因此在 IGCT 电路设计中主要采用 di/dt 吸收电路(du/dt 吸收电路为备用)。低频工作情况下采用电压吸收电路(R-C-D 网络)没有问题,其损耗很小,但使 IGCT 可关断电流增加;高频下可省去电压吸收电路。
图1-29 电压钳位和 di/dt 吸收的组合电路
图1-29 给出电压钳位与 di/dt 吸收的组合电路,其中直流中间回路的杂散电感必须严格保持最小值(<300 nH),否则会出现损耗过大与电压过冲,此时需另加电压吸收电路。
由于 IGCT 存储时间极短(<3 μs),不需选择和调整就能可靠串联;若在每个器件上加电压吸收电路,最大存储时间可缩短到 300 ns 以内。因此 IGCT 能简单串联,这是开发新型大功率逆变器的关键技术之一。
3. 功耗和频率
任何半导体器件总损耗由可行冷却方式决定,包括开关损耗与通态损耗。通态损耗越低,留给开关损耗的“余量”越大。在无吸收的晶体管电路中,最高工作频率受开关损耗限制。表1-13 给出在 IA=1.2 kA、UD=3 kV、f=500 Hz、Duty=50% 条件下,6 kV/4 kA 的 IGCT 与 4.5 kV/1.2 kA 的 HVIGBT 损耗比较。可见虽 IGCT 有外部电路损耗,但总耗约为 HVIGBT 的 75%,主要因其开通损耗非常低。因此在确定冷却方式下 IGCT 可能工作在较 HVIGBT 稍高的频率。目前 IGCT 设计电压范围在 3.3~6 kV 之间,按通常折衷方法(电压、电流、占空比、冷却),要求 6 kV 器件能工作在 1 kHz、3.3 kV 器件能工作在 3 kHz。
表1-13 IGCT 与 HVIGBT 的损耗比较
4. 适用范围
与 GTO、IGBT 相比,IGCT 具损耗低、开关速度快、内部机械部件极少等优点,保证其低成本与紧凑结构,能可靠高效地应用于各种驱动控制、静态无功补偿器(SVG)、感应加热谐振转换器、静态阻断器等电力变流器及柔性交流传输系统(FACTS)和民用电力市场。对中压大功率应用,可利用 IGCT 能简单可靠串联这一关键技术。
由于最新技术飞跃,IGCT 未来发展仍有巨大潜力,主要在于降低指定装置成本,其新技术可归纳为四个领域:二极管的发展(无吸收二极管)、阻断电压(6 kV、9 kV)、封装(塑料、水冷器件、低温键合、应变缓冲片)与钝化技术(无机钝化)。提高可靠性和降低成本是未来发展的动力,实际上是要求改进封装技术并在封装中集成驱动与保护等电路,封装技术可能成为重要研究课题。
综上所述,IGCT 在功率、可靠性、速度、效率、成本、质量与体积等方面均达到新的性能标准,并仍有很大发展潜力,必将成为大功率应用中首选的电力半导体器件。IGCT 包含了未来电力电子应用所需的重要技术,是对电力电子技术的重大贡献。因其存储时间短、不同器件间关断时间偏差极小,特别适用于串联使用;优越的关断特性可进行无吸收逆变器设计,即使在数万赫兹频率下工作也能应付复杂短暂的控制过程。IGCT 集 GTO 技术与现代功率晶体管 IGBT 优点于一身,利用大功率关断器件简单可靠串联这一关键技术,在中高压领域及 0.5~100 MVA 大功率应用领域尚无真正对手。由于其在电力电子中的重要性,目前已在世界范围内掀起 IGCT 器件技术研究热潮。