对于IGCT重触发阈值设置的研究

摘要：集成门极换流晶闸管(IGCT)作为一种新型电流型器件，它是在门极可关断晶闸管(GTO)基础上发展而来的。由于IGCT集成了门极换流晶闸管(GCT)和门极驱动电路，具备高压大电流等优点，故广泛应用于大功率场合。IGCT器件的特殊性，决定了它应用于电压源型变流器时有特别之处。这里从IGCT的结构特点出发，结合IGCT器件的开通原理及门极驱动电路工作原理，分析了IGCT的重触发机理，并指出IGCT需要重触发的必要性。进而通过介绍在IGCT驱动板中实现重触发的方法，提出内部重触发阈值需合理设置的结论。为正确设置重触发闽值，提出一种实验方案来模拟在电压源型逆变器中IGCT需重触发的工作情况。实验结果表明，此方案可验证内部重触发阈值是否设置合理，从而提高IG CT应用的可靠性和安全性。
关键词：电压型逆变器；晶闸管；驱动电路；内部重触发

1 引言
IGCT集成了GCT和门极驱动电路，具备了类似IGBT的优良开通和关断能力及GTO高压大电流等优点，广泛应用于高压变频器、风力变流器等大功率场合。某公司自主开发了1100A／4 500V逆导型和4 000A／4 500V不对称型大功率GCT器件，并由某大学配套开发了相应驱动板。
在此针对不对称型IGCT的开通原理，结合其驱动电路的原理及在电压源型逆变器中的使用，分析了IGCT重触发的必要性。重触发阈值设置对触发效果有一定影响，对此提出一种实验方法进行合理设置并进行了实验验证。

2 IGCT的触发原理
2．1 IGCT的开通原理
IGCT按结构特点可分为逆阻型、非对称型和逆导型3种。逆阻型一般适用于电流型逆变器；非对称型一般应用于电压型逆变器；逆导型IGCT由GCT和反并联二极管集成而来。IGCT结构与常规GTO类似，同样为PNPN四层结构，在制造过程中采用了几项特殊的技术：缓冲层技术、透明发射极和逆导技术。

图1为IGCT内部结构示意图及其等效电路。ICCT作为电流控制型功率器件，与GTO的导通机理完全一致，如图1b所示，可分为两部分，即P1N1P2，N2P2N1晶体管，其共基极电流放大系数分别为α1，α2。图1b中箭头表示各自的电流方向。当GCT阳极A加上正向电压，同时门极G也加上正触发信号时，IGCT将进入导通状态，具体过程为：iG↑→iC2↑→iA↑→iC1↑→iC2↑，可见，这是一个正反馈过程。当门极电流iG增加到使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也相应增加时，α1，α2也增大。当α1+α2>1后，两个等效晶体管均饱和导通，至此IGCT的导通过程结束。
2．2 IGCT驱动电路的原理
IGCT驱动电路由外部电源输入，然后通过内部开关电源给逻辑监控电路和开通关断电路提供稳定的电压。由外部发出一个光信号，通过信号接收电路传给逻辑监控电路，进而让开通电路向IGCT门极注入强触发电流iG≥150 A，且上升率diG／dt≥100 A／μs，达到IGCT的“硬驱动”要求，从而使器件开通。开通后，当阳极电流iA大于维持电流时，器件可持续导通；当iA低于维持电流时，将会出现器件自关断情况。为避免该情况发生，在驱动板中设置了维持导通环节，即当器件导通后，门极依然有电流注入，并通过逻辑监控电路的控制来实现注入电流大小的调节；关断也是由外部信号给入，通过逻辑监控电路发出指令控制关断电路，实现器件关断。为保证器件可靠关断，在关断过程中直至结束始终保持门极负偏置。图2为驱动电路原理示意图。

2．3 IGCT重触发的必要性
在IGCT导通期间，当出现iA小于维持电流时，可能会出现自关断现象。为提高可靠性，驱动电路会在器件导通后继续提供一个持续的门极维持电流，即通态维持电流。对于逆导型IGCT或配有反并联二极管的非对称型IGCT而言，当反并联二极管续流导通时，会在IGCT阳-阴极间加一个较小的反压，进而影响到iG的流向，即iG可能会流向阳极而不是阴极，如图3所示。与此同时，IGCT门极电流方向的改变会导致门-阴极间的等效二极管从导通变为截止，从而IGCT将处于不完全导通情况。当主电路的负载电流从反并联二极管换向并流入IGCT时，IGCT相当于一个门极没有充分触发的晶闸管，随着阳极负载电流上升会产生一个阳极电压上升率。虽然这种“功率脉冲”很小，但由于IGCT的导通不充分均匀，将造成IGCT局部过热，从而影响器件可靠性甚至损坏器件。在这种情况下，需对IGCT重触发。

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3 IGCT实现重触发的原理
为避免IGCT电压源型逆变器在负载电流由反并联二极管向GCT换流过程中，因GCT触发不充分而出现器件损坏，需在驱动电路中设计相应
的重触发功能。
3．1 驱动板中重触发的实现
在反并联二极管导通过程中，GCT的门-阴极电压uGK为负；电流由反并联二极管向GCT切换时，uGK变正。利用此特点可由驱动板自动实现重触发功能。由于所选取的电压是变化的，阈值是大于零的一个具体数值，故在驱动板中设置了比较电路，通过检测电路来检测uGK，当uGK变化时引起输出信号GPIN翻转，继而驱动板发出内部重触发指令，uGK检测电路实现原理如图4所示。

3．2 影响重触发功能正常实现的因素
由于IGCT生产的工艺和批次不同，使得其内部寄生二极管参数也不同。因其参数无法准确测量，故当检测电路对uGK进行检测时，若不能正确设置阈值，将会出现多次重触发(阈值太小)或应当发出重触发时没有发出(阈值太大)。以上两种情况均会出现不利后果：第一种情况时，由于重触发的机理与正常开通相同，必将会增大功率消耗，可能出现驱动板损坏；第二种情况时，可能导致IGCT器件损坏。可见，若想正确实现重触发，需合理设置阈值。

4 内部重触发的设置
为实现正确的内部重触发，可通过实验的方法得到内部重触发的阈值。
4．1 实验环境搭建
为模拟电压源型逆变器由反并联二极管向GCT的换流过程，采用振荡电路实现测试，其原理图如图5所示，R=500 Ω，C=500μF，L=500 μH，VT1为IGCT，VD2为二极管，uC为50～300 V可调。

4．2 实验结果及分析
图6a为阈值设为10 V时的波形。当主电流过零时(主电流方向由IGCT导通变为反并联二极管续流方向)，uGK发生变化，同时GP信号发生跳变，即发出一个重触发信号；当主电流为负时，GK信号不振荡，GP信号跳变后保持不变。直到下一个过零点时(主电流方向由反并联二极管续流变为IGCT导通方向)，重触发信号发生跳变。图6b为阈值设为9．7 V的波形，可见，当主电流为负时，出现多次强触发。

可见，若阈值设置不合理，使器件强开通，导致GCT反并联二极管反压，使GK结反偏截止。在GK结截止过程中，GK结电压发生振荡，且振荡幅值超过GK内部重触发阈值，使驱动板误认为电流将从二极管换流至GCT，从而发出内部重触发动作，如此反复动作，势必会增加功耗，造成驱动板损坏。若应当发出重触发信号而未发出时，将会导致器件损坏。

5 结论
作为一种新型大功率半导体器件，集成门极换流晶闸管将在高压大功率方面具有广阔的应用前景。当其应用于电压源型逆变器时，在电流由反并联二极管向门极换流晶闸管转移过程中，由于门极换流晶闸管器件的特殊性，需对门极换流晶闸管进行重触发。这里通过对集成门极换流晶闸管重触发机制的研究，指出了通过驱动板实现重触发的原理，并提出一种设置重触发阈值的实验方法，从而提高了集成门极换流晶闸管应用的安全性，避免在使用过程中出现器件的损坏。