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IGCT门极驱动电路的原理分析

发布时间:2008-10-14 来源:电子设计信息网-www.edires.net

中心议题:

  • 介绍IGCT门极驱动电路的原理
  • 分析IGCT门极驱动电路的结构

解决方案:

  • 光控接口采用标准元器件
  • 不使用关断缓冲电路,获得稳定的和低损耗的高关断能力

 

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、GTO、IGBT,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 Gate Commutated Thyristor)简称IGCT。它是做了重大改进的GTO,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。

IGCT的简单工作原理
IGCT由集成门极驱动电路和GCT组成,其导通与普通GTO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,GCT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IGCT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GTO在导通态和阻断态之间有一个过渡态) 。如想去掉过渡的GTO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,GCT开通瞬时处于NPN 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。

IGCT门极驱动电路
a.门极驱动单元框图

门极驱动单元方框图如图1所示。

 


图1  门极驱动单元方框图

b.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HFBR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 HFBR22528型,光输入功率Poncs>- 21dBm(1 mm POF) , 光噪声功率Poffcs <- 40dBm,光脉冲宽度门槛tGLITCH≤400ns ,对宽度≤400ns的光信号没有响应。

光发射器:Agilent HFBR21528型;光输出功率PonsF>-19dBm;光噪声功率PoffsF<-50dBm。

c.IGCT的门极硬驱动原理

硬驱动开通
开通脉冲通过图2的开通电路产生。先闭合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。 
 


图2  开通脉冲产生图

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IGCT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IGCT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 限制电抗器的尺寸和费用。

IGCT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IGCT。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。 
 


图3  开通脉冲电流波形

硬驱动关断
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IGCT关断。由于电路的极低电感(5 到15nH 取决于IGCT 的型号)和大电容器组,IGCT对门2阴极端的电磁噪音不敏感。与IGCT相比较,传统的GTO驱动装置大约有200 nH的电感和更小的电容器组。
 


图4  断态和关断电路

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,将门极电流控制在一定的水平上,V4 开关频率可达60kHz~70kHz。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。

 


图5  通态门极驱动原理图

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GCT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GTO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。IGCT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IGCT处于可靠关断状态。

结 语
IGCT是在传统GTO技术基础上发展起来的,具有GTO的制造成本低,成品率高的优点;又具有IGBT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。IGCT将GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身,由于IGCT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IGCT器件技术研究的热潮。


 

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