【摘要】：集成門極換流晶閘管(IGCT)采用“硬驅(qū)動(dòng)”技術(shù)來(lái)控制其開(kāi)通和關(guān)斷,門極控制單元需要提供一個(gè)上升率和幅值很高的電流脈沖,這要求GCT和門極驅(qū)動(dòng)單元之間必須有很低的電感和電阻,因此通常將GCT與門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一個(gè)印刷電路板上,這會(huì)使得IGCT的驅(qū)動(dòng)電路很復(fù)雜,體積龐大且靈活性低。為解決IGCT存在的上述問(wèn)題,本文提出了一種雙門極MOS-GCT,將關(guān)斷電路中的pMOS管直接集成在GCT芯片上,利用負(fù)柵壓來(lái)控制pMOS開(kāi)通,以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部瞬間換流,達(dá)到簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的目的。本文以3.3kV電壓等級(jí)為例,利用Sentaurus-TCAD軟件研究了雙門極MOS-GCT的開(kāi)關(guān)機(jī)理,并對(duì)各項(xiàng)特性進(jìn)行仿真,分析了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及高溫對(duì)器件特性的影響,最后對(duì)一種集成化MOS-GCT的工作機(jī)理和特性進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:第一,分析了雙門極MOS-GCT的結(jié)構(gòu)、工作原理及其工藝特點(diǎn),確定了芯片制作的工藝流程,并進(jìn)行了相應(yīng)的工藝模擬。建立了結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試電路,仿真分析了關(guān)斷過(guò)程中器件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布、載流子濃度分布及電流密度的變化,研究了雙門極MOS-GCT的關(guān)斷機(jī)理。研究表明,雙門極MOS-GCT在關(guān)斷時(shí)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部瞬間換流。第二,研究雙門極MOS-GCT的靜、動(dòng)態(tài)特性,分析了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),如集成的pMOS的結(jié)構(gòu)參數(shù),n-基區(qū),p基區(qū)厚度以及n+陰極區(qū)寬度對(duì)器件各項(xiàng)特性的影響,并提取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù);對(duì)比分析了溫度對(duì)器件特性的影響。第三,將雙門極MOS-GCT的開(kāi)通門極(Gon)和關(guān)斷門極(Goff)合并,形成了一種集成化的MOS-GCT。分析了集成化MOS-GCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工藝方法,研究了其阻斷與開(kāi)關(guān)機(jī)理,并與雙門極MOS-GCT的各項(xiàng)特性進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,采用集成化門極的MOS-GCT在開(kāi)關(guān)特性上雖略遜于雙門極MOS-GCT,但完全可以通過(guò)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng),因此可進(jìn)一步簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路和封裝結(jié)構(gòu)。本文的研究結(jié)果對(duì)IGCT的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN34
【圖文】：

T 器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展1996 年 ABB 公司提出一種透明陽(yáng)極硬驅(qū)動(dòng) GTO，使其關(guān)斷增益降為 1。因?yàn)?GTO 擁大的吸收電路[4]，人們一直對(duì)它保持固有成見(jiàn)。因此于 1997 年將透明陽(yáng)極硬驅(qū)動(dòng) GTO為集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristors）。ABB 公司商品化的 主要有三種類型：非對(duì)稱型，逆導(dǎo)型，逆阻型。其中非對(duì)稱 GCT 已經(jīng)產(chǎn)品化的電壓有：4.5kV，5.5kV，6.5kV，且可達(dá)到 10kV 電壓等級(jí)的研制水平，相比較兩個(gè) 4.5kVCT 串聯(lián)，一個(gè) 10kV IGCT 的使用能夠在每個(gè)開(kāi)關(guān)位置處在元件數(shù)量上減少 41% 71%靠性上增加 56%[5]。日本的三菱公司于 1998 年也開(kāi)發(fā)了直徑是 88mm 的 6kV/4kA 的6]。圖 1-1(a)為非對(duì)稱 GCT(A-GCT)的結(jié)構(gòu)剖面圖，其正向阻斷電壓大，反向阻斷電壓很大約為 20V。圖 1-1(b)是逆導(dǎo)型 GCT（RC-GCT）的剖面圖，它是將 A-GCT 與 pn-nn管反并聯(lián)集成在同一芯片上，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)構(gòu)件的壓裝。逆阻 GCT(RB-GCT)它是T 與一個(gè)二極管同向串聯(lián)之后，再封裝在一個(gè)管殼之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)正、反向耐壓的需求文獻(xiàn)將它稱為對(duì)稱門極換流晶閘管，即 SGCT。

(a)雙門極 GCT 的結(jié)構(gòu)剖面圖 (b)雙門極 GCT 的等效電路圖圖 1-2 Dual Gate GCT 的結(jié)構(gòu)剖面圖和等效電路圖Fig 1-2 Structure profile and equivalent circuit of Dual Gate GCT2007 年，ABB 公司在 GCT 的結(jié)構(gòu)中，引入了波紋狀的基區(qū)，這種技術(shù)被成igh-Power Technology”技術(shù)，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)提高了電流關(guān)力，增大了安全工作區(qū)，且在高溫下有高的關(guān)斷能力[8][9]。安全工作區(qū)的擴(kuò)展與主結(jié)的分布有關(guān)，主結(jié)附近的電場(chǎng)由于波狀的形狀而得到調(diào)制，并且 p 基區(qū)波紋的形狀有最優(yōu)的幅度，可使得安全工作區(qū)達(dá)到最大值[10]。

剖面圖 (b)雙門極 GCT 1-2 Dual Gate GCT 的結(jié)構(gòu)剖面圖和等效電路Structure profile and equivalent circuit of Dual G GCT 的結(jié)構(gòu)中，引入了波紋狀的基術(shù)，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結(jié)構(gòu)，且在高溫下有高的關(guān)斷能力[8][9]。安全電場(chǎng)由于波狀的形狀而得到調(diào)制，并且工作區(qū)達(dá)到最大值[10]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 張明;陳芳林;李繼魯;蔣誼;陳彥;趙燕峰;;國(guó)內(nèi)IGCT器件的新進(jìn)展[J];大功率變流技術(shù);2008年06期

2 余世科;新型電力電子器件IGCT及其應(yīng)用[J];世界電子元器件;2003年09期

3 Harold M．Stillman,楊維莉;用于中等電壓的兆瓦級(jí)功率開(kāi)關(guān)器件─—IGCT[J];國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車;1998年05期

4 馮玉春,羅晉生;MCT關(guān)斷特性的分析[J];電力電子技術(shù);1997年01期

本文編號(hào)：2745738