1.5.1 晶閘管類功率半導體器件

在功率半導體開關器件中，晶閘管是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件，其最大電流額定值達到8kA，電壓額定值可達12kV。國外目前已能在直徑100mm的硅片上工業化生產8kV/4kA的晶閘管。2005年英國Dynex公司采用1000Ω·cm、厚度為2mm的硅片，制作出25℃時雪崩擊穿電壓為16～17kV的晶閘管實驗樣品。

晶閘管改變了整流管“不可控”的整流特性，為方便地調節輸出電壓提供了條件。但其門極僅能控制晶閘管導通，不能使已經導通的晶閘管恢復阻斷狀態，只有借助將陽極電流減小至維持電流以下或陰、陽極間電壓反向來關斷晶閘管。在整流電路中，交流電源的負半周自然會關斷晶閘管，但在直流電路中，要想關斷晶閘管必須設置能給其施加反向電壓的換向電路才行，這給應用帶來很大麻煩。一種通過門極控制其導通和關斷的晶閘管——門極關斷GTO晶閘管應運而生并得到迅速發展，目前市場上已有6kV/6kA，頻率1kHz的GTO晶閘管，研制水平可達8kV/8kA。GTO晶閘管存在的缺陷是，門極驅動電路復雜、di/dt和dv/dt的耐量較低，安全工作區（Safe Operating Area，SOA）較小，以及在工作時需要一個龐大的吸收（Snubber）電路等。針對GTO晶閘管的上述缺陷，一種硬關斷晶閘管類開關器件——IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）被研制出來。與常規的GTO晶閘管相比，IGCT具有不用緩沖電路、存儲時間短、開通能力強、關斷門極電荷少及系統（包括所有器件和外圍器件）總功耗小等優點。IGCT芯片的基本圖形和結構與常規GTO晶閘管類似，但是它除了采用了陽極短路型的逆導GTO晶閘管結構以外，主要是采用了特殊的環狀門極，其引出端處于器件的周邊，特別是其門、陰極之間的阻抗要比常規GTO晶閘管的小得多，所以在門極加以負偏壓實現關斷時，門、陰極間可立即形成耗盡層（見圖1.10）。此時從陽極注入基區的主電流可在關斷瞬間全部流入門極，關斷增益為1，從而使器件迅速關斷。不言而喻，關斷IGCT時需要提供與主電流相等的瞬時關斷電流，這就要求包括IGCT門、陰極在內的門極驅動電路的引線電感十分小。

圖1.10 門極關斷時，GTO晶閘管和IGCT門、陰極區耗盡層示意圖

IGCT的另一個重要特點是有一個引線電感極低的與管殼集成在一起的門極驅動器，圖1.11是其門極驅動器的實物照片。圖中門極驅動器與IGCT管殼之間的距離只有15mm左右，包括IGCT及其門極驅動電路在內的總引線電感量可以減小到GTO晶閘管電路的1%左右。其改進結構之一稱為門極換向晶閘管（SGCT），兩者特性相似，主要應用于電流型PWM中。

圖1.11 IGCT（左）和SGCT（右）的實物圖

IGCT具有損耗低、開關速度快、內部機械部件極少等優點，可以以較低的成本，結構緊湊地、可靠且高效率地用于300kVA～10MVA變流器，而不需要串聯或并聯。目前研制的IGCT已達到9kV/6kA水平，而6.5kV/6kA的器件已經開始供應市場了。如采用串聯，逆變器功率可擴展到100MVA范圍，而用于電力設備。因此，IGCT可望成為大功率高電壓低頻變流器的優選功率器件之一。但是，從本質上講，IGCT仍屬于GTO晶閘管系列的延伸，它主要是解決了GTO晶閘管實際應用中存在的門極驅動的難題。而IGCT門極驅動電路中包含了許多驅動用的MOSFET和許多儲能電容器，所以實際上其門極驅動功率消耗仍較大，影響系統的總效率。開發MOS可關斷MTO晶閘管的直接目的是，去除IGCT驅動電路中所需的大量MOSFET，這些MOSFET被集成到功率器件的內部。因此MTO外部門極驅動電路的元器件更少，最重要的是不再需要IGCT門極驅動電路中的反偏電源，這樣器件具有更高的可靠性。結果顯示，MTO晶閘管的關斷性能得到提高，其關斷延遲極短，這點與IGCT相似，但MTO晶閘管的外圍電路更加簡單。