ABB IGCT模块3BHB018162R0001

　　IGBT 和 IGCT 是四层器件，乍一看并没有什么不同。但是，当您“深入了解”时，您会发现绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和集成(有时称为“绝缘”)门极换向晶闸管 (IGCT) 并不相似。双极晶体管构成了 IGBT 的基础，而 IGCT 则与栅极关断晶闸管 (GTO) 相关。IGBT 和 IGCT 都是为工业应用而开发的。IGBT 可以在 10+ 千赫兹 (kHz) 的频率下切换，而 IGCT 的最大频率限制在 1 kHz 左右。　　本常见问题解答首先简要回顾 IGBT 的操作，深入探讨 IGCT 的工作原理，最后比较两种技术。　　IGBT 的开发旨在将功率 MOSFET 的简单栅极驱动要求与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力相结合。它们是在单个器件中由隔离栅 MOSFET 控制的双极电源开关的组合(图 1)。IGBT 设计用于快速和低功率电容开关，驱动高电压和高电流负载。隔离栅是一个MOSFET结构，不是一个单独的MOSFET。MOSFET 栅极结构取代了双极晶体管的基极，由此产生的 IGBT 具有发射极、栅极和集电极引脚。　　基本的 IGBT 操作很简单：　　从栅极到发射极的正电压 (U GE ) 打开 MOSFET 栅极。　　这使得连接到集电极的电压能够驱动基极电流通过双极晶体管和 MOSFET;　　双极晶体管导通，负载电流流过 IGBT。　　关断IGBT，用U GE ≤ 0 V的电压关断MOSFET，中断基极电流，关断双极晶体管，IGBT停止导通电流。　　IGBT 单向传导电流。由于 MOSFET 栅极的容性特性，栅极电流只需对栅极电容充电即可开启器件。虽然栅极结构的电容特性限制了控制 IGBT 所需的功率量，但该器件的双极特性将其开关频率限制在最大约 30 kHz。然而，降低开关损耗的谐振拓扑可以使 IGBT 以更高的频率进行开关。　　与功率 MOSFET 不同，IGBT 没有固有的本体或续流二极管。但是，需要一个二极管通过提供续流路径来防止反向电流来保护 IGBT。一些 IGBT 带有集成二极管;否则，必须在电路中添加一个二极管。　　添加辅助发射极以减少栅极电路中杂散电感的影响可以提高 IGBT 开关性能(图 2)。辅助发射极不承载负载电流;它减少了电感耦合产生的失真，清理了开关波形，并简化了电磁兼容设计。　　IGBT 用于中高功率开关电源、可再生逆变器、牵引电机驱动、感应加热和类似应用，最高可达数百千瓦。大型 IGBT 通常由许多并联器件组成，其阻断电压高达 6,500 V，能够处理数百安培。虽然 IGBT 的开关速度比 IGCT 快，但它们的开关频率低于功率 MOSFET。对于需要 300V 和 600V 之间器件的电源转换器，可以使用 IGBT 和 MOSFET，具体取决于应用的具体需求;低于 600V，MOSFET 占主导地位，高于 600V，IGBT 占主导地位。与 IGBT 一样，IGCT 是用于自换向功率转换器的完全可控功率开关。　　IGCT基础知识　　IGCT 是相当于 IGBT 的晶闸管。由于它们是一种晶闸管，因此 IGCT 以压装包装形式交付。这与 IGBT 形成鲜明对比，IGBT 可用于更广泛的应用，并提供更广泛的封装样式(图 3)。IGCT 是 GTO 与集成栅极结构的组合。它通过简化的栅极驱动提供 GTO 的高功率密度和低传导损耗。

　　IGCT 将栅极驱动结构与栅极换向晶闸管 (GCT) 晶圆级器件集成在一起。IGCT 和 GTO(IGCT 的来源)均由栅极信号控制，并且都可以承受高 di/dt 率，这意味着大多数应用不需要缓冲器。在 IGCT 中，关闭器件所需的栅极电流高于阳极电流。高栅极电流与高 di/dt 比率相结合意味着传统互连不能用于将 IGCT 连接到栅极驱动器。相反，栅极驱动 PCB 和 IGCT 作为一个单元交付。栅极驱动器用连接到 IGCT 边缘的大圆形导体围绕器件。大的接触面积和极短的连接距离降低了栅极连接的电感和电阻，　　与大多数晶闸管一样，IGCT 被制造为单个晶圆(图 4)。这与作为一系列单元制造的 IGBT 形成对比，每个单元的构造类似于 n 沟道垂直功率 MOSFET，除了用 p+ 集电极层代替 n+ 漏极并形成垂直 PNP 双极结型晶体管。IGCT 的栅极结构和驱动拓扑支持比 GTO 快得多的关断时间。GTO 通常限于在 500 Hz 下运行，而 IGCT 可以在短时间内以高达几 kHz 的频率运行，长期最大开关频率为 500 Hz。IGCT 的额定关断电流为 520 至 5,000 A，典型阻断电压额定值为 4,500、5,500 和 6,500 V。它们用于工业和牵引驱动、变频逆变器和交流隔离开关。多个 IGCT 可以串联或并联运行以用于更高功率的应用。IGBT 的原理图符号源自 MOSFET 的符号，而 IGCT 的原理图符号源自晶闸管的符号(图 5)。

　　IGCT 具有三种结构：　　能够阻断反向电压的 IGCT 称为对称 IGCT，或 S-IGCT。反向阻断和正向阻断额定电压通常相同。　　不能阻断反向电压的 IGCT 称为不对称 IGCT，或 A-IGCT。它们通常具有几十伏的反向击穿额定值。A-IGCT 用于永远不会出现反向电压的地方，例如开关电源或直流牵引驱动器。或与并联反向导通二极管结合使用，例如在电压源逆变器中。　　在同一封装中带有反向导通二极管的非对称 IGCT 称为反向导通 IGCT，即 RC-IGCT。　　IGBT 与 IGCT

　　由于工作原理不同，很难使用数据表额定值比较 IGBT 和 IGCT。此外，IGBT 可提供更广泛的封装，从而提供更广泛的工作能力。通过限制与紧压封装器件的比较，IGBT 和 IGCT 可以使用多个因素进行比较，例如是否需要缓冲器、它们的导通状态电压、导通和关断能量损耗、栅极电路要求和开关频率(表 1)。　　IGBT 和 IGCT 是完全可控的四层功率开关，用于自整流功率转换器。IGBT 源自双极晶体管，而 IGCT 则基于门极可关断晶闸管 (GTO)。因此，与 IGCT 相比，IGBT 可用于更低电压和更低功率的应用，IGCT 主要用于需要至少 4,200 V 的工作电压和超过 500 A 的电流的应用。IGCT 是较慢的开关器件，通常限制在大约500 Hz，而 IGBT 可以工作在几十 kHz。

　　参考　　应用 IGCT、ABB/Hitachi　　IGBT 和 IGCT 比较、MB Drive Services　　用于比较模块化多电平转换器中 IGCT 和 IGBT 的品质因数和电流指标，EPE'20 ECCE Europe　　IGBT：绝缘栅双极晶体管如何工作?, Infineon　　IGCT 技术 — 高功率转换器的量子飞跃, ABB

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