大功率IGCT并聯(lián)關(guān)斷過程分析及其試驗驗證

彭振東，任志剛，姜楠，朱紅橋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)重點實驗室，武漢 430064）

0 引言

集成門極換流晶閘管IGCT是在門極可關(guān)斷晶閘管 GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型硬關(guān)斷器件，將結(jié)構(gòu)改進(jìn)的GTO和極低電感的門極驅(qū)動電路結(jié)合在一起，并采用集成門極驅(qū)動、緩沖層、透明陽極和門極重觸發(fā)這幾項關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了器件優(yōu)越的性能。在器件關(guān)斷過程中，不需要dv/dt吸收電路，允許更高的電壓上升率，關(guān)斷動作迅速可靠，兼有晶閘管的低通態(tài)損耗和高阻斷電壓，以及晶體管可靠的關(guān)斷特性[1,2]。

固態(tài)斷路器是在大功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，半導(dǎo)體器件的通態(tài)損耗和關(guān)斷特性是影響固態(tài)斷路器整體性能關(guān)鍵因素。IGCT作為一種中壓大功率器件，將成為固態(tài)斷路器中的理想半導(dǎo)體器件[3]。然而盡管目前ABB公司電流等級最高的5SHY35L4522型IGCT關(guān)斷能力可達(dá)4kA，但是長期允許通流僅為2.1 kA[4]，使用單個器件很難提高斷路器的額定電流和分?jǐn)嗄芰?。為了使固態(tài)斷路器向高電流等級發(fā)展，需要采用多個IGCT并聯(lián)來實現(xiàn)，而并聯(lián)IGCT的關(guān)斷過程決定了整個斷路器的分?jǐn)嘈阅埽虼擞斜匾獙@個過程中電流在各器件間的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，明確影響電流分配的各種因素，為固態(tài)斷路器中半導(dǎo)體功率模塊的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 IGCT適合直接并聯(lián)的重要特性

與GTO的高關(guān)斷增益相比，單位關(guān)斷增益會給IGCT的關(guān)斷帶來許多好處。首先，門極電流清除P基區(qū)過量存儲電荷的時間，即存儲時間ts，被顯著地減小到1 μs左右，而GTO的關(guān)斷存儲時間一般為10～20 μs。因此，傳統(tǒng)GTO關(guān)斷過程中的自鎖狀態(tài)被打破，IGCT的關(guān)斷實質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€基極開路PNP晶體管的關(guān)斷，關(guān)斷動作均勻可靠[2]。

圖1為實測IGCT無緩沖硬關(guān)斷波形，可以看出其關(guān)斷1.4 kA負(fù)載電流時的存儲時間ts僅為1.3 μs左右。如果在有dv/dt緩沖電路條件下關(guān)斷，一旦陽極電壓vAK開始建立，陽極電流iA就會下降，如此關(guān)斷存儲時間將會更短[5]。由于 IGCT器件P基區(qū)的過量存儲電荷濃度在關(guān)斷過程開始之前與陽極電流成正比，其耗盡速度也與陽極電流成正比，因此IGCT的存儲時間在很大的陽極電流范圍內(nèi)幾乎是一個恒定不變的常數(shù)。IGCT這種本身存儲時間極小和存儲時間在大電流范圍相對恒定的關(guān)斷特性對器件并聯(lián)應(yīng)用非常關(guān)鍵，因為它降低了器件存儲時間的分散性，能顯著改善并聯(lián)IGCT關(guān)斷時的動態(tài)電流分配[6]。

圖1 實測IGCT關(guān)斷波形

2 并聯(lián)IGCT的關(guān)斷過程

假設(shè)兩個IGCT并聯(lián)，如圖2所示，Ls1和Ls2為并聯(lián)支路雜散電感。對于直接并聯(lián)的IGCT而言，影響其關(guān)斷過程電流分配的主要因素是器件存儲時間差異和門極關(guān)斷時間不同步[6,7]。

圖2 兩個IGCT并聯(lián)電路

2.1 器件存儲時間不同時的關(guān)斷過程

如圖3所示，假設(shè)關(guān)斷前因器件微小的通態(tài)參數(shù)差異導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)電流IT1＞IT2，那么 IGCT1的 P基區(qū)初始過量電荷濃度高于 IGCT2。當(dāng)關(guān)斷過程開始后，門極負(fù)電壓迫使IGCT陰極電流向門極轉(zhuǎn)移。對于并聯(lián)的兩只IGCT而言，門極電感量近似相等，承擔(dān)負(fù)載電流大的IGCT1需要的電流轉(zhuǎn)移時間長。因此在t0時刻，由于IGCT2率先達(dá)到單位關(guān)斷增益條件，其門陰極電壓vGK2將會下降，導(dǎo)致vGK1＞vGK2，結(jié)果器件壓降vT1＞vT2形成電壓差加在并聯(lián)回路的雜散電感上，迫使電流從IGCT1向IGCT2轉(zhuǎn)移，從而iT1減小，iT2增大。從圖中可以看出，這個階段的電流轉(zhuǎn)移現(xiàn)象有助于并聯(lián)器件之間的動態(tài)電流均衡。

在t1時刻，并聯(lián)的兩只IGCT均達(dá)到單位關(guān)斷增益條件，此時陽極電流iT2＞iT1， IGCT2的P基區(qū)過量載流子清除速度比IGCT1快，并且因為IGCT2在這一階段P基區(qū)的載流子沒有再繼續(xù)增加，因此IGCT2會首先完成存儲階段進(jìn)入陽極電流下降階段。在t2時刻，IGCT2的P基區(qū)過量載流子被完全移走，存儲階段結(jié)束，此后IGCT2進(jìn)入PNP晶體管模式的關(guān)斷過程，而在此時，IGCT1還處于存儲階段。進(jìn)入PNP晶體管模式的IGCT2，因晶體管門極電流為零，不在具有電流支撐能力，器件電壓vT2開始增加或者器件電流iT2向其它地方轉(zhuǎn)移。然而由于兩只IGCT是直接并聯(lián)的，沒有多少電壓可以增加，陽極電流將會從IGCT2向關(guān)斷過程較慢（存儲時間長）的 IGCT1轉(zhuǎn)移，結(jié)果iT1增大，iT2減小。實際上在這個電流轉(zhuǎn)移過程中，IGCT2的耗盡層將會建立一個微小的電場，相應(yīng)的器件電壓vT2會有所增加。隨著 IGCT1陽極電流的不斷增加，其載流子清除速度變快，存儲時間變短。最終在t3時刻，IGCT1也完成存儲階段，兩器件的電流值出現(xiàn)最大偏差，電流和存儲時間之間的負(fù)反饋機(jī)制結(jié)束。

圖3 存儲時間不同的IGCT并聯(lián)關(guān)斷電流示意

在時刻t3和t4之間，兩只IGCT的電流主要是由N基區(qū)過量載流子變化率決定的擴(kuò)散電流。因為在t3時刻，iT1較大，因此 IGCT1的 N基區(qū)載流子清除速度比較快，其陽極電流下降率比較大。而此時iT2較小，因此 IGCT2的 N基區(qū)載流子清除速度比較慢，其陽極電流下降率比較小。這個過程可以被看作是關(guān)斷過程快的器件（IGCT2）在等候關(guān)斷過程慢的器件（IGCT1），在t3時刻后不久，兩器件之間的電流分配再次達(dá)到均衡狀態(tài)，以近乎相等的變化率下降到零，至此關(guān)斷過程結(jié)束。

2.2 門極觸發(fā)時刻不同步時的關(guān)斷過程

假設(shè)兩個特性完全相同的IGCT直接并聯(lián)，但I(xiàn)GCT2的門極關(guān)斷信號比IGCT1延遲Δt，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時，流過兩IGCT的電流相近。如圖4所示，在t0時刻，IGCT1門陰極電壓vGK1開始變?yōu)樨?fù)值，門極電流iG1開始增加。因門陰極電壓vGK1＜vGK2，導(dǎo)致不同的器件電壓vT1＜vT2，結(jié)果在t0和t2之間，電流從IGCT2向IGCT1轉(zhuǎn)移,iT1和iT2之間出現(xiàn)偏差。在t1時刻，IGCT2門極電流iG2亦開始增加，iT1和iT2之間的電流轉(zhuǎn)移現(xiàn)象開始變緩，并且最終在t2時刻，門陰極電壓vGK2達(dá)到vGK1時電流轉(zhuǎn)移過程結(jié)束，iT1和iT2之間的偏差達(dá)到最大。

圖4 門極信號不同步的IGCT并聯(lián)關(guān)斷電流示意

在一段延時之后的t3時刻，因門極電流iG1的載流子抽取作用，IGCT1完成過量電荷清除，存儲階段結(jié)束，開始恢復(fù)阻斷能力，器件電壓vT1開始增加。但因并聯(lián)條件所限，電壓vT1只有微小的增量，但正是由于這一微小的電壓增量形成的電壓差加在并聯(lián)回路的雜散電感上，迫使電流從IGCT1向IGCT2轉(zhuǎn)移，結(jié)果iT2增大，iT1減小。在此過程中的某一時刻，IGCT2的電壓vT2也開始增加，并且由于IT2＞IT1，IGCT2的N基區(qū)過量載流子清除速度比 IGCT1快得多，導(dǎo)致電壓vT2增加的很快，上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過vT1，結(jié)果在t4時刻延遲的IGCT2上的電壓vT2增加到IGCT1的電壓vT1，電流iT2和iT1之間的偏差達(dá)到最大。

從時刻t4到t6，電壓vT2一直比vT1略高，致使有一個電流從IGCT2流向IGCT1，結(jié)果iT1增大，iT2減小。在t6時刻，電壓vT2與vT1相同，電流轉(zhuǎn)移過程結(jié)束，電流再次達(dá)到均衡狀態(tài)，此后以近乎相等的變化率下降到零。從圖中可以看出，整個關(guān)斷過程中的電流轉(zhuǎn)移現(xiàn)象有利于并聯(lián)器件間的動態(tài)電流均衡。

2.3 實際應(yīng)用中的關(guān)斷過程

在實際并聯(lián)應(yīng)用中，因器件參數(shù)不可能做到完全一致，門極觸發(fā)信號之間也總會存在差異，因此上述兩種因素都將影響并聯(lián)IGCT關(guān)斷時的動態(tài)電流分配，兩只IGCT并聯(lián)關(guān)斷時電流變化過程如圖 5所示。圖中明確顯示，在并聯(lián) IGCT的關(guān)斷過程中會出現(xiàn)三個截然不同的動態(tài)電流重分配過程，并且這三個過程都趨向于將器件電流往均衡的方向發(fā)展，而不會使其中某一個器件的電流失控。

圖5 實際應(yīng)用中IGCT并聯(lián)關(guān)斷電流示意

3 并聯(lián)IGCT的關(guān)斷試驗

試驗中的并聯(lián)IGCT模塊由2個ABB公司的5SHY35L4510型IGCT直接并聯(lián)構(gòu)成，器件正向耐壓4.5 kV，最大關(guān)斷電流4kA[8]。模塊兩端并聯(lián)壓敏電阻來限制關(guān)斷過程中的過電壓，保護(hù)IGCT安全關(guān)斷。試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 總電流1.75 kA關(guān)斷試驗結(jié)果

圖7 總電流3.9 kA關(guān)斷試驗結(jié)果

從圖中可以看出，實測關(guān)斷電流波形不存在前文分析的第一階段（t0～t1）電流轉(zhuǎn)移過程，這可能是由于所選的兩個并聯(lián)器件的門極關(guān)斷信號比較同步，兩器件在觸發(fā)關(guān)斷后差不多同時達(dá)到單位增益關(guān)斷條件，因此不會形成明顯的電壓差而導(dǎo)致電流轉(zhuǎn)移。然而由于IGCT1首先完成P基區(qū)過量電荷的清除而進(jìn)入電流下降階段，因此最終形成電壓差導(dǎo)致第二階段電流轉(zhuǎn)移過程的出現(xiàn)，使IGCT2的陽極電流出現(xiàn)微小的過沖。但是最終在總電流開始下降前兩并聯(lián)器件電流趨于均衡，以近乎相同的速率下降到零，與前文理論分析一致。

4 結(jié)論

在并聯(lián)IGCT的關(guān)斷過程中，因器件存儲時間的不同和門極觸發(fā)信號的差異會導(dǎo)致電流在各器件之間來回轉(zhuǎn)移，但是由于IGCT本身電流和存儲時間之間的負(fù)反饋效應(yīng)，會使并聯(lián)各器件電流在總電流開始下降前趨于均衡，最終以相同的速率下降到零。本文關(guān)于兩個IGCT并聯(lián)的關(guān)斷試驗結(jié)果，一方面驗證了文中關(guān)于影響并聯(lián)IGCT關(guān)斷過程電流分配兩大因素的理論分析，另一方面也證實了IGCT直接并聯(lián)的實際可行性。

盡管在并聯(lián) IGCT的關(guān)斷過程中，各器件間的電流分配能在電流下降前趨于一致，但是此前的電流來回轉(zhuǎn)移過程可能會使其中某個器件的電流峰值顯著增加，尤其是當(dāng)各器件門極關(guān)斷信號以及存儲時間差異較大時，可能會使其中某個器件的電流峰值超過其最大關(guān)斷能力而損壞。因此在實際應(yīng)用中，為避免關(guān)斷過程中器件出現(xiàn)較大的電流過沖，還是應(yīng)該盡量挑選參數(shù)一致的器件進(jìn)行并聯(lián)，同時設(shè)計結(jié)構(gòu)對稱的并聯(lián)電路，必要時在并聯(lián)器件兩端增加 dv/dt緩沖電路，以實現(xiàn)并聯(lián)器件間電流的相對均衡以及可靠關(guān)斷。

[1] 蘭志明, 李崇堅, 繩偉輝, 等. 集成門極換向晶閘管開關(guān)特性[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2007, 22（7）: 93-97.

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