根光纖上就可以控制它的開(kāi)通和關(guān)斷。由于IGCT設(shè)計(jì)理想，使得IGCT的開(kāi)通損耗可以忽略不計(jì)，再加上它的低導(dǎo)通損耗，使得它可以在以往大功率半導(dǎo)體器件所無(wú)法滿足的高頻率下運(yùn)行。

概述一個(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，能承受較高的電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能承受大電流并具有很低的壓降;在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，開(kāi)/關(guān)速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同時(shí)還應(yīng)具有全控功能。

自從50年代硅晶閘管問(wèn)世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈的努力。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管GT0實(shí)現(xiàn)了門極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到1kHz以上。

70年代中期，高功率晶體管和功率MOS-FET問(wèn)世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控功能，打開(kāi)了高頻應(yīng)用的大門。80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管(IGBT)問(wèn)世，它綜合了功率M0SFET和雙極型功率晶體管兩者的功能。它的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了人們對(duì)綜合功率MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件一MOSFET門控晶閘管的研究。因此，當(dāng)前功率器件研究工作的重點(diǎn)主要集中在研究現(xiàn)有功率器件的性能改進(jìn)、MOS門控晶閘管以及采用新型半導(dǎo)體材料制造新型的功率器件等。

大功率器件及其發(fā)展大功率晶閘管(SCR)在過(guò)去相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件。因此，針對(duì)SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開(kāi)發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。

用GT0晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，故仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時(shí)，電力晶體管(GTR)迅速發(fā)展起來(lái)，使GTO晶閘管相形見(jiàn)綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，GT0晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地位。

物。其主體部分與晶體管相同，也有集電極(C)和發(fā)射極(E)，但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)。

IGBT的工作特點(diǎn)是：控制部分與場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同，控制信號(hào)為電壓信號(hào)Ua，輸人阻抗高，柵極電流I.，驅(qū)動(dòng)功率很小。而其主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流輸入。此外，其工作頻率可達(dá)20kHz.由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10kHz以上，故電動(dòng)機(jī)的電流波形比較平滑，基本無(wú)電磁噪聲。

雖然硅雙極型及場(chǎng)控型功率器件的研究已趨成熟，但是它們的性能仍在不斷提高和改善，近年來(lái)出現(xiàn)的集成門極換流晶閘管(IGCT)可望迅速地取代GTO.集成門極換流晶閘管(IGCT)集成門極換流晶閘管IGCT年問(wèn)世的一種新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。門極換流晶閘管GCT是基于GT0結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GT0相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開(kāi)關(guān)性能，即它是GTO和IGBT相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開(kāi)關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開(kāi)關(guān)電路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0.5M3MVA，三電平逆變器1M6MVA.若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴(kuò)至4.5MVA，三電平擴(kuò)至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系列產(chǎn)品。目前，IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4.5kV/4kA，最高研制水平為/4kA.1998年，日本三菱公司開(kāi)發(fā)了直徑為88的6kV/4kA的GCT晶閘管。IGCT外形圖參見(jiàn)。

模擬器件餐門極換流晶閘管GCT的結(jié)構(gòu)示意圖，如(B)所不，該圖左側(cè)是GCT，右側(cè)是反并聯(lián)二極管。IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，見(jiàn)(A)，GCT內(nèi)部由成千個(gè)GCT組成，陽(yáng)極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO的重要差別是GCT陽(yáng)極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明(可穿透)陽(yáng)極代替GTO的短路陽(yáng)極。其導(dǎo)通機(jī)理與GTO一樣，但關(guān)斷機(jī)理與GTO完全不同。在GCT的關(guān)斷過(guò)程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個(gè)PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以，它無(wú)外加du /dt限制；而GTO必須經(jīng)過(guò)一個(gè)既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即nGTO區(qū)“，所以GTO需要很大的吸收電路來(lái)抑制重加電壓的變化率du/dt.阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認(rèn)為是一個(gè)基極開(kāi)路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)。

GCT無(wú)中間區(qū)、無(wú)緩沖關(guān)斷的機(jī)理在于，強(qiáng)關(guān)斷時(shí)可使它的陰極注入瞬時(shí)停止，不參與以后過(guò)程。改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在P基N發(fā)射結(jié)外施加很高負(fù)電壓，使陽(yáng)極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移(或換向)至門極(門極換向晶閘管即由此得名)，不活躍的NPN管一停止注入，PNP管即因無(wú)基極電流容易關(guān)斷。GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時(shí)間，而GTO卻是在SCR轉(zhuǎn)態(tài)下承受全阻斷電壓的，所以GCT可像IGBT無(wú)緩沖運(yùn)行，無(wú)二次擊穿，拖尾電流雖大但時(shí)間很短。

⑴緩沖層在傳統(tǒng)GTO、二極管及IGBT等器件中，采用緩沖層形成穿通型(PT)結(jié)構(gòu)，與非穿通型(MT)結(jié)構(gòu)相比，它在相同的阻斷電壓下可使器件的厚度降低約30%.同理，在GCT中采用緩沖層，即用較薄的硅片可達(dá)到相同的阻斷電壓，因而提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)損耗，可得到較好的VT-Eoff.同時(shí)，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。

透明陽(yáng)極為了實(shí)現(xiàn)低的關(guān)斷損耗，需要對(duì)陽(yáng)極晶體管的增益加以限制，因而要求陽(yáng)極的厚度要薄，濃度要低。透明陽(yáng)極是一個(gè)很薄的PN結(jié)，其發(fā)射效率與電流有關(guān)。因?yàn)殡娮哟┩冈撽?yáng)極時(shí)就像陽(yáng)極被短路一樣，因此稱為透明陽(yáng)極。傳統(tǒng)的GTO采用陽(yáng)極短路結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到相同目的。采用透明陽(yáng)極來(lái)代替陽(yáng)極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無(wú)緩沖層的GTO降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。GCT的結(jié)構(gòu)與IGBT相比，因不含MOS結(jié)構(gòu)而從根本上得以簡(jiǎn)化。

逆導(dǎo)技術(shù)GCT大多制成逆導(dǎo)型，它可與優(yōu)化續(xù)流二極管FWD單片集成在同一芯片上。由于二極管和GCT享有同一個(gè)阻斷結(jié)，GCT的P基區(qū)與二極管的陽(yáng)極相連，這樣在GCT門極和二極管陽(yáng)極間形成電阻性通道。逆導(dǎo)GCT與二極管隔離區(qū)中因?yàn)橛蠵NP結(jié)構(gòu)，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽(yáng)極間的電流流通。

極驅(qū)動(dòng)技術(shù)IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個(gè)整體，通過(guò)兩根光纖輸入觸發(fā)信號(hào)，輸出工作狀態(tài)信號(hào)。在(A)中，GCT與門極驅(qū)動(dòng)器相距很近(間距15cm)，該門極驅(qū)動(dòng)器可以容易地裝人不同的裝置中，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是一種通用形式。為了使IGCT的結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固，用門極驅(qū)動(dòng)電路包圍GCT，并與GCT和冷卻裝置形成一個(gè)自然整體，稱為環(huán)繞型IGCT，如(B)所示，其中包括GCT門極驅(qū)動(dòng)電路所需的全部元件。這兩種形式都可使門極電路的電感進(jìn)一步減小，并降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的元件數(shù)、熱耗散、電應(yīng)力和內(nèi)部熱應(yīng)力，從而明顯降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的成本和失效率。所以說(shuō)，IGCT在實(shí)現(xiàn)最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT開(kāi)關(guān)過(guò)程一致性好，可以方便地實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大功率范圍。

總之，在采用緩沖層、透明陽(yáng)極、逆導(dǎo)技術(shù)和門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，IGCT從GTO中脫穎而出，在所有中高壓領(lǐng)域及功率為0.5M100MVA的應(yīng)用中代替了GTO. IGCT變頻器頻器中都采用。IGBT具有快速的開(kāi)關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且模擬器件bookmark7需要許多IGBT復(fù)雜地串聯(lián)在一起。對(duì)低壓IGBT來(lái)講，高壓IGBT串聯(lián)的數(shù)量相對(duì)要少一些，但導(dǎo)電損耗卻更高。元件總體數(shù)量增加使變頻器可靠性降低、柜體尺寸增大、成本提高。因此高壓、大電流變頻調(diào)速器在IGBT和GTO成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，有了簡(jiǎn)潔的方案一IGC.這個(gè)優(yōu)化的技術(shù)包含了對(duì)GTO的重新設(shè)計(jì)，使其具有重要的設(shè)計(jì)突破。新的IGCT引進(jìn)了快速、均衡換流和內(nèi)在的低損耗，主要的設(shè)計(jì)性能含有可靠的陽(yáng)極設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到快速泄流、低損耗薄型硅晶片使切換快速以及使用大功率半導(dǎo)體的集成型門驅(qū)動(dòng)器。

由于IGCT象IGBT那樣具有快速開(kāi)關(guān)功能，象GTO那樣導(dǎo)電損耗低，在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的單元中，降低了成本。IGCT采用電壓源型逆變器，與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，效率更高。對(duì)于4.16kV的變頻器，逆變器中需要24個(gè)高壓IGBT，如使用低壓IGBT，則需60個(gè)，而同類型變頻器若采用IGCT，則只需12個(gè)。

優(yōu)化的技術(shù)只需更少的元件，相同電壓等級(jí)的變頻器采用IGCT的數(shù)量只需低壓IGBT的五分之一。并且，由于IGCT損耗很小，所需的冷卻裝置較小，因而內(nèi)在的可靠性更高。更少的元件還意味著更小的體積。因此，使用IGCT的變頻器比使用IGBT的變頻器簡(jiǎn)潔、可靠性高。

緩沖電路，但是IGCT本身不能控制di/dt(這是IGCT的主要缺點(diǎn))，所以為了限制短路電流上升率，在實(shí)際電路中常串入適當(dāng)電抗，如所示。整套逆變器由11個(gè)元器件組成：6個(gè)IGCT(帶集成反向二極管)，1個(gè)電抗，1個(gè)鉗位二極管，1個(gè)鉗位電容和1個(gè)電阻，一套門極驅(qū)動(dòng)電源。一套3MVA的逆變器外形尺寸僅為780mmx590mmx333mm，結(jié)構(gòu)緊湊，并且元器件數(shù)少、可靠性高、成本低。

有效硅面積小、低損耗、快速開(kāi)關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)保證了IGCT能可靠、高效地用于300kVA10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時(shí)，逆變器功率可擴(kuò)展到100MVA.雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實(shí)現(xiàn)di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等。但因存在著導(dǎo)通損耗高、硅有效面積利用率低、損壞后造成開(kāi)路以及無(wú)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用。因此在大功率MCT問(wèn)世以前，IGCT可望成為高功率高電壓變頻器的優(yōu)選功率器件之一。HB1 MCT器件的關(guān)斷特性接37頁(yè))從知，MCT的開(kāi)通時(shí)間僅為200~300nS.從知，MCT的關(guān)斷時(shí)間大約為知S，其關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)的主要原因是所選用的P型長(zhǎng)基區(qū)內(nèi)的少子壽命較長(zhǎng)的緣故。

結(jié)束語(yǔ)通過(guò)比較國(guó)外各種MCT器件的結(jié)構(gòu)、原理及其內(nèi)在規(guī)律，吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合西安微電子研究所已有工藝成功地研制出10A/500VMCT芯片，同時(shí)表明上述介紹的有關(guān)MCT的設(shè)計(jì)方法在我國(guó)現(xiàn)有條件下是切實(shí)可行的。HD MCT器件的開(kāi)通特性