IEGT

第35卷第4期 2001年 8月 电力电子技术 Power E Jectronics Vol 35．No 4 Aagust，2001 IEGT 适用于 STATCOM的新型大功率开关器件 刘文华，刘 炳 (清华』=学．北京 100084 J 摘要：IEGT(Injection EnhancedGateTransistor)．即电子注人增强门极晶体管，是东芝公司于 1993年开发出的 新 代电力电予器件。它具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、串联运行容易等诸多优点。可 确信．它 将会替代 IGBT和 GTO，并广 应用于大功率电力电子设备，特别是 FACTS设备。就其基本结构、工作原理和应 用范嗣作了简要的介绍。 关键词：逆变器；可关断晶闸管／电子注人增强门极晶体管；绝缘栅双极晶体管 中图分类号 ：TN335 文献标识码：A 文章编号：1000—100X(2001)04—0000 O0 IEGT— A New Power Electronic Component Suitable for STATCOM LIU Wen—hun，LIU Bing (Tsinghua University，Beijing 100084，China) Abstract：lEGT(I ection Enhanced Gate Transistor)is first introduced by Toshiba Co Ltd．in 1993 Due to幽e enhancement in effective electron injection efficiency，it has malty advantage~such as]ower saturation voltage as well as iower tktlTt On／Off lOSS，simple gate drive and easy operation in series In this paper，the basic structure and turn on／off process are described，comparison of the parameters of IEGT．GTO．IGBT and IGCT applied to the APF and STAT， c0M |s alsopreser,~ed h is conduded by comparisonthattheIEGT hasmuch better character，anditwill bewidely usecl in the futlll'e． Keywords：inverter；GTO；IEGT；IGBT 1 引 言 近些年来，随着电力系统和电力电子技术的发 展，出现了许多采用大功率电力电子器件的设备，如 svc(静止无功补偿器)、STATCOM(静止无功发生 器)、UPFC(统一潮流控制器)等。所采用的器件也 从SCR发展到了 GTO和 IGBT等可控导通／关断 器件。而 GTO由于容量大，工作电压高等优点，在 电力系统中得到了非常广泛的应用⋯。但是 GTO 也青许多缺点，如门极驱动电流大，开关速度慢、损 耗大，不能应用于高频场合，安全工作区域小等。后 来出现的 IGBT是一种 MOS门极器件，它的门极由 电压驱动，开关速度 比GTO高，损耗也更低，因此 在高频领域得到了广泛应用，但它也有一些问题，倒 如工作电压低，容量小，导通压降和损耗高，这也限 制了它的应用。显然，二者的优缺点是互补的。 而 IEGT是一种兼备其优点，克服其缺点的新 器件。近年来已经形成了商用产品，其额定参数达 4．5kv／300oA。与传统器件相比．它具有通态压降 低，门极驱动电流小，功率密度大，开关损耗小，速度 收稿日期：2001—01—08 定稿日期：2001 04—12 作者简介 ：刘文华(1968一)，男，湖南临 ^，博士、副研 究员，研究方向为秉性史流转电系统 快等诸多优点。 2 器件结构和工作原理 2．1 IEGT的结构 IEGT的基本结构见图 la，图 1b和图 1c则是 IGBT和 GTO的结构图。可见，IGBT和 IEGT结 构非常相似，不同之处在于 IEGT门极宽度 L 较 大_2。 。这对于其性能有很大的影响。 IEGT的导通过程如图 la所示，使器件呈正向 偏置(即集电极、门极加正电压，发射极接地)。当 u s电压高于临界值时，靠近 siO2附近的 P型层表 面形成与原来半导体导电性相反的一层，它使发射 极和集电极之间有了一条电子通道，即 N淘道。 这样，电子经 E极发射一N 层一N淘道，进入 N一基区，同时空穴也从集电极发射到 P基区中，由 于 N一层电子浓度不大，部分空穴通过此处的 PN 结，也进入 N 基区。由于 IEGT的门极宽度 L 较 大，其中只有一小部分直接到达 P 层并最终进入发 射极．多数空穴则到达对面靠近门极的地方，并且在 这里堆积起来，形成图 la中的积累层。这些空穴可 以吸引从 N一隧道中出来的电子，使电子发射显著 增强．N 基区中的电子浓度随之提高 上述过程不断进行，最终达到动态平衡，N一基 区中充满了电子，导通过程完成。由此可以看到： 45 维普资讯 http://www.cqvip.com 第35卷第4期 2001年 8月 电力电干技术 Power E1ectronics vD1 35．No．4 August，2001 (1)IEGT的主体部分——N一基区载流子浓度 较高，所以饱和电压和导通压降都较低，这点相对 IGBT而言是个很大的优势。 (2)由于载流子浓度高，所以 IEGT可以快速 改变其承载电流，di／dt承受能力较强，同时导通速 度也非常快，仅受 MOS电容充放电速度的影响。 另外，通过测量导通过程中的 yoG和 JE的波形还可 以知道，导通过程中的损耗非常低0 J。 下面介绍关断过程。首先，给门极加上负电压， 这样，P 区中的N沟道就消失了，电子流的通遭被 切断，发射极的电子发射停止，N一区中电子浓度随 之迅速下降。在 N一区中的电子和此处的空穴复合 消失．因此空穴浓度也大幅度下降，这样．P 和 N一 间的 PN结就得到了恢复的机会，空穴流通途径也 被阻断，N一区中的载流于一部分进入发射极或集电 极，另外一部分则在 N一区中复合。当组件中的载 流子浓度降低到一定程度时，关断过程就完成了。 黥 f i『 I 陉 。 一 Lc (bl ‘c J (a)IEGT (b)IGBT (c)GTO 图1 IEGT、IGBT、GTO基本结构比较 显然，IEGT的关断过程与 IGBT非常相似，所 ，和 IGBT一样，IEGT也具有关断速度快、损耗低 和安全工作区域较宽的优点。 IEGT很高的开、关速度和 di／dt承受能力、以 及较低的导通和关断损耗使得它可以工作于较高的 频率下，这又是 GTO难以相比的优势。 IEGT也有其不足之处。首先，现有的 IEGT 的静态工作电压比GTO低，Toshiba公司的 IEGT 静态额定电压为 4．5kV，而 目前 GTO已经可以达 到 6kV。不过，由于 IEGT的安全工作区较宽，其实 际工作电压可以达到 3kv，而 6kV的 GTO的实际 工作电压也只能达到这个水平。其次，和 IGBT一 样，IEGT的反向阻断电压很低，只有几十伏，这使 它不能在需要双向阻断的场合应用。另外，IEGT 的通态压降和 GTO以及其它新的元件相 比仍较 46 高。但是，这些“缺点”一般并不影响 IEGT的使用。 随着 IEGT制造技术和工艺的进步，这些问题也有 望得到解决。 2．2 IEGT的性能特点 由于采用了电子注入增强效应及多片压接等新 的技术和制造工艺，IEGT具有： ①与 GTO一样具有低的导通电压降； ②与 IGBT一样具有宽的安全工作区； ③门极采用电压驱动方式； ④更高的工作频率； ⑤更高的可靠性。 图2为 IEGT和 GTO安全工作区域比较，图 3 为IEGT、GTO、IGBT容量／频率特性对比。表 1为 IEGT和 GTO门极 驱动特性对 比，表 2为 GTO、 IGCT和 IEGT性能对比。 图2 IEGT和 GTO安全工作区域比较 图 3 IEGT、GTO、IGBT容量／频率特性对比 袁 1 IEGT和 GTO门极参数对比 参 数 GT0 IEGT 门扳导通电压 v ／V O．5 15 门扳触发电流 蛳／A 50 1．4 维持电流 J ／A 8 0 5 门极关断电压 v f／v 一2O 一15 门极关断电流 J删／A 400 2 关断时间 Ⅻ／ 30 5 门极驱动功率 P／w 10O一2oo O．13 维普资讯 http://www.cqvip.com IEGT——适用于 sTA1 M 的新型大功率开关器件 衰 2 IEGqI'、GT0、IGCT{4．5kV／3kA}性能对比 参 数 f GTO TG( 狂：GT 导通压降 v ／V 3 2 2 4 4 5 最大开通 di／dt／A／ps 500 3000 3500 典型开通损耗 E ／J 5 0 5 6 kA时关断损耗Eolt／J 10(6~F时l 10(0~F)S(0 F) 吸收电容(关断3kA)c／ F 6 0 0 最大可关断电流 ／kA 3 最大关断dvldt／V／~ts I 500 ~4000 >12000 存储时间 ￡，／ 3 lEGT的应用 3．1 IEGT逆变器 IEGT的优越性能决定了它非常适合在各种大 功率变流器中使用。可 说，凡使用 GTO的地方， 几乎都可以用 IEGT来代替。例如：电子开关、 STATCOM、有源滤波器(APF)等。 使用 G1D 的单相逆变器如图 4所示．而使用 IEGT的单相逆变器如图5所示。 图4 GTO单相逆变器 图 5 IEGT单相逆变器 GTO逆变器中每个 GTO都要使用独立的反并 联二极管和关断吸收电路，且每个桥臂需要使用阳 极电抗以抑制 di／dt。同时，由于 GTO门极由电流 驱动，所以门极驱动模块体积大，最终使整个逆变器 的体积变大。 IEGT内部已集成了一个快速的反并联二极 管，且 IEGT具有很宽的安全工作区并能承受较高 的 dr~dr和 di／dt，因此 IEGT逆变器无需阳极 电 抗，只需公用一个关断吸收电路。此外，IEGT门极 驱动功率不到 lW，门极驱动模块体积很小，这样， 使用 4500v／3000A IEGT的单相逆变器体积只有 使用 6000v／3000A GTO 的单相逆 变器体积 的 69％，而前者的损耗只有后者的 33％(开关频率 390Hz、容量 1500kvA时)。由于 IEGT逆变器使用 元件数量少，因而可靠性也得到很大提高。 东 芝公 司对 由6kV3000AGTO构造 和 由 4．5kv 3000A IEGT构造的相近容量的三相电压型 逆变器进行了对比，其结果为：(1)使用元件数量： 前者为 GTO 75个，二极管 75个，后者为 IEGT125 个；(2)总体效率：前者为 96．8％，后者为 98．3％， 后者损耗降低了46．9％；(3)体积：后者仅为前者的 31％，大大节省了占地面积；显然，使用 IEGT的逆 变器的性能优于使用GTO的逆变器。 3．2 IEGT的串联运行 在 STATCOM 中，采用 IEGT的优势也是非常 显著的。STATCOM 装置多使用大功率电压型逆 变器(10MVA以上)，其电压型逆变器主电路的设 计原则是高压大容量化、低损耗化、小型化、低成本 化。由于单个开关器件容量的限制，这些设计原则 都要求所使用的开关器件易于实现串联运行，且开 关损耗和导通损耗低、关断能力强、驱动简单。而这 些性能都是 IEGT具备的。IEGT串联运行时，可 采用图 6所示的关断电压吸收电路L5 J 图 6给出了一个桥臂的吸收电路。每个 IEGT 使用一个传统的RCD吸收电路，上下桥臂各使用一 个钳位 电路。RCD 吸收电路用于保持各串联的 IEGT在关断时更平均地承受直流 电压，因为各 IEGT器件特性的差异(开通时间和关断时间)、门 极驱动延时的差异、反并联二极管反向恢复时间的 差异都可能引起串联的IEGT不能均分关断时的直 流电压。RCD吸收 电容较小，对于 4500V／3000A IEGT，吸收电容可取 0．3—0．5gF(同样容量 GTO 需要 3 )，这使得吸收电路损耗很小。 钳位电路用于吸收由线路电感引起的关断过电 压。由于钳位电容电压不会放电到低于直流电压， 因此钳位电路损耗很小。 用图6所示电路对 4500v／3000A IEGT进行 (下转第50万) 47 维普资讯 http://www.cqvip.com 第35卷第4期 200i年 8月 电力电子技 术 PO wet E]eclronics VoI 35．No 4 August，2001 据采集卡进行数据采集波形如下 、～ 放大倍数为 1000倍，由于透镜的耦合效果不好，而 采用自聚焦棒耦台．信号较强，约为几十至几百毫 伏 对于采集的数据，将利用 Pc机按照前面的理 论分析结果进行数据处理，电流强度信息包含在 50Hz信号的幅度当中，因此出现的直流漂移并不影 响实际电流数据的获得。 采用保偏光纤将传感信号传输距离延长，使光 纤电流传感器远离环境干扰较大的测量环境，实现 远程测量 从根本上抑制了测量干扰．实测效果表明 这种基于保偏光纤的光纤电流传感器设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是基 本令人满意的。 图3 远程实测电流正弦曲线(12A，566A 1132A，2820A) 由于AC1810数采卡使用的是 FIFO512点的 参考文献： 存储形式，因此在曲线中有不连贯的采集样点出现。 [1]董小鹏等．可补偿偏置漂移的扭转光纤电流传感器 但 50Hz的正弦波形明显显示，系统中光电探测器 EJ]光学学报 1999，7：981～987 (上接 47页) 的串联运行试验表明．各 IEGT关断时承受的电压 差小于单个 IEGT承受的最大电压的 10％[ 。 图 6 1EGT的串联运行吸收电路 4 结 论 IEGT是一种集GTO和 IGBT的优点于一身的 新型器件，它具有导通压降低、工作频率高、电压型 门极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。这 些良好的性能使之很适用于 STATCL)M、APF等大 容量、工作频率高的电力电子装置。有理由相信，在 未来的柔性交流输电系统中，它会得到广泛的应用。 参考文献： [1] 赵良炳．现代电力电子技术基础[M] 北京：清华大学 出版社，1995 [2] Mitsuhiko Kitagawa，et al_4 5kV Injection Enhanced Gate Transistor·Experimenta]Ve ication of山e Electr[一 cal Characteristics[J]．Japan J App】 Ph” 1997，36 (6A)，Part 1：3433 3437 [3] MitsuhikoKitagawa．n DesignCriterion madOperation Mechanism for 4．5kV Injection Enhanced Gate Transistor [J]Japan J．Appl Phys 1998，37，Part 1(8)：4294～ 4300． [4] Masayuki Tobim，Ryolchi Kushibiki Devdopment of New High Power Converter UMng IEGT[C]．IPEC- T0kyo．2000 970～975 [5] Tatsuhito Nakajima．Hirokazu Suzuki，d al Develop． merit of 1EGT Series and Po ralleI Co nnection Technology for High Power Converters[C] IPEC-Tokyo、2000：670 ～ 675 维普资讯 http://www.cqvip.com