對(duì)于IGCT重觸發(fā)閾值設(shè)置的研究

摘要：集成門極換流晶閘管(IGCT)作為一種新型電流型器件，它是在門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。由于IGCT集成了門極換流晶閘管(GCT)和門極驅(qū)動(dòng)電路，具備高壓大電流等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。IGCT器件的特殊性，決定了它應(yīng)用于電壓源型變流器時(shí)有特別之處。這里從IGCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合IGCT器件的開(kāi)通原理及門極驅(qū)動(dòng)電路工作原理，分析了IGCT的重觸發(fā)機(jī)理，并指出IGCT需要重觸發(fā)的必要性。進(jìn)而通過(guò)介紹在IGCT驅(qū)動(dòng)板中實(shí)現(xiàn)重觸發(fā)的方法，提出內(nèi)部重觸發(fā)閾值需合理設(shè)置的結(jié)論。為正確設(shè)置重觸發(fā)閩值，提出一種實(shí)驗(yàn)方案來(lái)模擬在電壓源型逆變器中IGCT需重觸發(fā)的工作情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案可驗(yàn)證內(nèi)部重觸發(fā)閾值是否設(shè)置合理，從而提高IG CT應(yīng)用的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：電壓型逆變器；晶閘管；驅(qū)動(dòng)電路；內(nèi)部重觸發(fā)

1 引言
IGCT集成了GCT和門極驅(qū)動(dòng)電路，具備了類似IGBT的優(yōu)良開(kāi)通和關(guān)斷能力及GTO高壓大電流等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓變頻器、風(fēng)力變流器等大功率場(chǎng)合。某公司自主開(kāi)發(fā)了1100A／4 500V逆導(dǎo)型和4 000A／4 500V不對(duì)稱型大功率GCT器件，并由某大學(xué)配套開(kāi)發(fā)了相應(yīng)驅(qū)動(dòng)板。
在此針對(duì)不對(duì)稱型IGCT的開(kāi)通原理，結(jié)合其驅(qū)動(dòng)電路的原理及在電壓源型逆變器中的使用，分析了IGCT重觸發(fā)的必要性。重觸發(fā)閾值設(shè)置對(duì)觸發(fā)效果有一定影響，對(duì)此提出一種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行合理設(shè)置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 IGCT的觸發(fā)原理
2．1 IGCT的開(kāi)通原理
IGCT按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為逆阻型、非對(duì)稱型和逆導(dǎo)型3種。逆阻型一般適用于電流型逆變器；非對(duì)稱型一般應(yīng)用于電壓型逆變器；逆導(dǎo)型IGCT由GCT和反并聯(lián)二極管集成而來(lái)。IGCT結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO類似，同樣為PNPN四層結(jié)構(gòu)，在制造過(guò)程中采用了幾項(xiàng)特殊的技術(shù)：緩沖層技術(shù)、透明發(fā)射極和逆導(dǎo)技術(shù)。

圖1為IGCT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路。ICCT作為電流控制型功率器件，與GTO的導(dǎo)通機(jī)理完全一致，如圖1b所示，可分為兩部分，即P1N1P2，N2P2N1晶體管，其共基極電流放大系數(shù)分別為α1，α2。圖1b中箭頭表示各自的電流方向。當(dāng)GCT陽(yáng)極A加上正向電壓，同時(shí)門極G也加上正觸發(fā)信號(hào)時(shí)，IGCT將進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，具體過(guò)程為：iG↑→iC2↑→iA↑→iC1↑→iC2↑，可見(jiàn)，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)門極電流iG增加到使晶體管N2P2N1的發(fā)射極電流增加，進(jìn)而使晶體管P1N1P2的發(fā)射極電流也相應(yīng)增加時(shí)，α1，α2也增大。當(dāng)α1+α2>1后，兩個(gè)等效晶體管均飽和導(dǎo)通，至此IGCT的導(dǎo)通過(guò)程結(jié)束。
2．2 IGCT驅(qū)動(dòng)電路的原理
IGCT驅(qū)動(dòng)電路由外部電源輸入，然后通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源給邏輯監(jiān)控電路和開(kāi)通關(guān)斷電路提供穩(wěn)定的電壓。由外部發(fā)出一個(gè)光信號(hào)，通過(guò)信號(hào)接收電路傳給邏輯監(jiān)控電路，進(jìn)而讓開(kāi)通電路向IGCT門極注入強(qiáng)觸發(fā)電流iG≥150 A，且上升率diG／dt≥100 A／μs，達(dá)到IGCT的“硬驅(qū)動(dòng)”要求，從而使器件開(kāi)通。開(kāi)通后，當(dāng)陽(yáng)極電流iA大于維持電流時(shí)，器件可持續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)iA低于維持電流時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)器件自關(guān)斷情況。為避免該情況發(fā)生，在驅(qū)動(dòng)板中設(shè)置了維持導(dǎo)通環(huán)節(jié)，即當(dāng)器件導(dǎo)通后，門極依然有電流注入，并通過(guò)邏輯監(jiān)控電路的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)注入電流大小的調(diào)節(jié)；關(guān)斷也是由外部信號(hào)給入，通過(guò)邏輯監(jiān)控電路發(fā)出指令控制關(guān)斷電路，實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。為保證器件可靠關(guān)斷，在關(guān)斷過(guò)程中直至結(jié)束始終保持門極負(fù)偏置。圖2為驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。

2．3 IGCT重觸發(fā)的必要性
在IGCT導(dǎo)通期間，當(dāng)出現(xiàn)iA小于維持電流時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)自關(guān)斷現(xiàn)象。為提高可靠性，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)在器件導(dǎo)通后繼續(xù)提供一個(gè)持續(xù)的門極維持電流，即通態(tài)維持電流。對(duì)于逆導(dǎo)型IGCT或配有反并聯(lián)二極管的非對(duì)稱型IGCT而言，當(dāng)反并聯(lián)二極管續(xù)流導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在IGCT陽(yáng)-陰極間加一個(gè)較小的反壓，進(jìn)而影響到iG的流向，即iG可能會(huì)流向陽(yáng)極而不是陰極，如圖3所示。與此同時(shí)，IGCT門極電流方向的改變會(huì)導(dǎo)致門-陰極間的等效二極管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，從而IGCT將處于不完全導(dǎo)通情況。當(dāng)主電路的負(fù)載電流從反并聯(lián)二極管換向并流入IGCT時(shí)，IGCT相當(dāng)于一個(gè)門極沒(méi)有充分觸發(fā)的晶閘管，隨著陽(yáng)極負(fù)載電流上升會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陽(yáng)極電壓上升率。雖然這種“功率脈沖”很小，但由于IGCT的導(dǎo)通不充分均勻，將造成IGCT局部過(guò)熱，從而影響器件可靠性甚至損壞器件。在這種情況下，需對(duì)IGCT重觸發(fā)。