大功率發(fā)射極關(guān)斷晶閘管eo的發(fā)展與展望

大功率發(fā)射極關(guān)斷晶閘管eo的發(fā)展與展望

1dv/dt緩沖器在瓦級功率應(yīng)用中，晶門管是唯一的應(yīng)用產(chǎn)品，但由于它是一個半控制器，沒有門極限制能力，因此很難滿足現(xiàn)代變流器控制技術(shù)的要求。GTO在高壓直流輸電(HVDC)和兆瓦級應(yīng)用中已取得成功,但缺點是:導(dǎo)通暫態(tài)電流的不均勻分布會引起di/dt問題,需要di/dt緩沖器;同時也造成反偏安全工作區(qū)(RBSOA)比較小;p-n-p-n四層結(jié)構(gòu)使得GTO對dv/dt比較敏感,因此關(guān)斷時需要dv/dt緩沖器;門極驅(qū)動器體積大,消耗的功率達數(shù)百瓦;存儲時間長,動態(tài)響應(yīng)慢,工作頻率一般限制在1kHz以下。發(fā)射極關(guān)斷晶閘管(ETO)是美國喬治那技術(shù)學(xué)院電力電子系統(tǒng)中心研制的,目前出品的型號為ETO4060,其額定容量可達6kV/4kA,是世界上容量最大的MOS控制型電力電子器件。ETO的全稱是EmitterTurn-off(ETO)Thyistor,中文名可稱為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管,它可看成是GTO的改良版,由GTO和MOSFET混合而成,因此既秉承了GTO的大功率特性,也改善了其開關(guān)能力和控制特性。2eto的關(guān)斷過程圖1示出ETO的結(jié)構(gòu)原理與電氣符號。它通過一對MOSFET(VQE和VQG)來控制GTO的通斷,其中VQE充當(dāng)發(fā)射極開關(guān)與GTO串聯(lián);VQG充當(dāng)門極開關(guān)與GTO門極相連。在ETO需要關(guān)斷時,VQE關(guān)斷,VQG導(dǎo)通,GTO的陰極電流被強迫全部轉(zhuǎn)換到門極電路而關(guān)斷ETO,這一過程持續(xù)時間非常短,因此關(guān)斷速度很快。另外與GTO關(guān)斷不同的是,ETO的關(guān)斷過程是電壓控制型,其關(guān)斷能量由陽極電流提供,因此ETO的門極驅(qū)動電路可做得很緊湊,并且消耗功率也很小。在ETO需要導(dǎo)通時,先使VQE導(dǎo)通,VQG關(guān)斷,同時向GTO門極注入很強的電流觸發(fā)脈沖來導(dǎo)通ETO,其導(dǎo)通過程與GTO的導(dǎo)通基本類似,導(dǎo)通需要的能量由ETO門極驅(qū)動器提供。在ETO的導(dǎo)通狀態(tài)下一般要向GTO的門極提供一個小的直流電流信號,以確保GTO保持較低的通態(tài)損耗。3eto的電流傳導(dǎo)能力ETO優(yōu)良的特性主要來自其采用獨特的硬驅(qū)動技術(shù)。該硬驅(qū)動技術(shù)在IGCT中已得到了體現(xiàn),只是實現(xiàn)的方式不一樣。在ETO中硬驅(qū)動是由VQE和VQG共同完成的。在硬驅(qū)動關(guān)斷條件下,VQE關(guān)斷,VQG導(dǎo)通,GTO的陰極電流在陽極電壓上升之前幾乎瞬間全部換流到門極,這樣GTO的發(fā)射結(jié)在關(guān)斷過程中就會全部反偏,加速ETO均勻關(guān)斷。因為硬驅(qū)動關(guān)斷中門極電流與陽極電流相等,因此該過程也稱為單位增益關(guān)斷。在這種單位增益關(guān)斷條件下,ETO的關(guān)斷過程實際上變?yōu)橐粋€pnp晶體管導(dǎo)通的過程(見圖1)。它可進一步確保在整個關(guān)斷的暫態(tài)過程中電流在GTO胞元中的均勻分布,而不至于發(fā)生擁擠現(xiàn)象,因此可實現(xiàn)ETO無緩沖關(guān)斷,其無緩沖關(guān)斷過程的波形見圖2,其中Va和Ia分別為陽極電壓和陽極電流波形。另外,在硬驅(qū)動關(guān)斷條件下,關(guān)斷時間大大縮短,關(guān)斷電流在GTO胞元中分配均勻。因此,雖然單個GTO胞元的電流限制不變,但總電流卻大大增加,因而采用硬驅(qū)動技術(shù)的GTO比普通GTO具有更寬的RBSOA。由于硬驅(qū)動GTO能通過很大的門極電流迅速移除電荷,所以大大提高了ETO的工作速度,其速度可達GTO的5~10倍。對于關(guān)斷過程,存儲時間只有1μs,而典型GTO的存儲時間是20μs左右,加上電流下降時間縮短為只有0.5μs左右,因此ETO總的最小關(guān)斷時間可低于20μs,而典型GTO的最小關(guān)斷時間大約是80μs。另外,因為降低了ETO門極的雜散電感,注入的開通電流脈沖可以更高、更快,這樣便可進一步加速開通過程。型號為ETO1045S的1kA/4.5kVETO開通時間小于20μs。假設(shè)開關(guān)的最小和最大占空比分別為10%,90%,則該ETO的最大開關(guān)頻率可達5kHz。由于MOSFET是典型的電壓控制型器件,而ETO的關(guān)斷是由MOSFET控制的,因此關(guān)斷ETO就像關(guān)斷IGBT一樣容易,只需要一個電壓信號就可關(guān)斷數(shù)千安培的電流。但是ETO的導(dǎo)通仍然屬于電流型控制,同時需要一個額外的驅(qū)動用獨立電源,不過ETO驅(qū)動電源需要的功率遠低于GTO,也小于IGCT,因此體積很小,并且為了使設(shè)備更緊湊、方便用戶使用,開發(fā)者還把ETO與其驅(qū)動板集成在一起,并提供了板內(nèi)獨立電源和光纖接口(見圖3),用戶所要做的只是提供控制信號。除改善RBSOA、速度和驅(qū)動控制外,ETO還有正向電流飽和能力,或稱具有正向安全工作區(qū)(FBSOA),FBSOA是由VQE產(chǎn)生的。在正常導(dǎo)通方式下,VQE的壓降總小于其閾值。當(dāng)電流很大,VQE的端電壓達到其閾值時,一部分陽極電流將會分流到門極通路。因為電流從門極流出會產(chǎn)生關(guān)斷ETO的趨勢,因此ETO的電流傳導(dǎo)能力下降,電壓降增加,這個過程將一直持續(xù)到陽極電流不隨ETO電壓的增加而增加為止。因此RBSOA的存在對電流的異常增加起到了緩沖和抑制作用。4eto串聯(lián)連接的必要性要提高并聯(lián)器件的關(guān)斷能力,首先要減小關(guān)斷存儲時間,使電流在各個胞元中的分配更加一致。然而,ETO的單位增益關(guān)斷技術(shù)恰好使它滿足該條件。在單位增益關(guān)斷下,存儲時間就是用于移除p溝道中少子的時間。由于陰極注入被截斷,在關(guān)斷前p溝道中的少子僅僅是從初始密度下減少的,因此移除少子的時間要少得多。另外,單位關(guān)斷增益條件下,移除p溝道少子的門極電流就等于器件的陽極電流,在兩個ETO并聯(lián)的情況下,電流將在速度較快的ETO結(jié)束存儲過程之后涌向存儲時間較長的慢速器件,使慢速器件的電流增加,不過陽極電流的增加會使少子的移除速度加快,這反過來會使慢速ETO的存儲時間縮短,因此并聯(lián)連接的ETO具有自動調(diào)小存儲時間差的功能。而且原本存儲時間差越大,這種調(diào)節(jié)能力就越強。因此這是一個負反饋過程,可大大減輕電流阻塞的壓力。所以ETO并聯(lián)之后也可實現(xiàn)無緩沖關(guān)斷。除了關(guān)斷之外,器件并聯(lián)需要解決的另一個問題是電流動態(tài)均分,這需要器件具有正溫度系數(shù)的I-V特性,因為這種特性會自動調(diào)節(jié)電流在各個器件之間的均分。高壓GTO一般具有這種特性。ETO的正溫度系數(shù)的I-V特性更好,因為ETO中與發(fā)射極串聯(lián)的MOSFET具有強烈的正溫度系數(shù),所以ETO并聯(lián)運行的電流動態(tài)均分會更迅速。串聯(lián)的關(guān)鍵問題是如何在導(dǎo)通和關(guān)斷的暫態(tài)過程中確保統(tǒng)一的動態(tài)電壓均分。對于ETO而言,由于存儲時間大大減小,ETO的存儲時間分布情況要比GTO好得多。同一批量ETO的存儲時間差控制在±10%之內(nèi)一般是不成問題的,絕對最大差值可降低到100ns以內(nèi)。在保守估計下,兩個存儲時間差為100ns的ETO串聯(lián)使用時,其動態(tài)電壓平衡電容可降低到0.5μF,此時關(guān)斷過程中電壓差是0.2kV,小于額定電壓的5%,而導(dǎo)通延遲時間的差異幾乎沒有。考慮到需要導(dǎo)通di/dt緩沖器來控制二極管的反相恢復(fù),因此在串聯(lián)連接時導(dǎo)通不成問題。串聯(lián)ETO的存儲時間可通過在其VQE的門極上串聯(lián)一個電阻得到調(diào)整。該門極電阻會延遲VQE的關(guān)斷過程,這就延遲了ETO的關(guān)斷過程。由于該電阻與器件搭配在一起而非與門極驅(qū)動器搭配在一起,因此ETO的存儲時間極易校正。如果存儲時間匹配的很好,ETO甚至可在沒有di/dt的情況下串聯(lián),其電壓均分性能仍然可滿足要求。5eto及反串聯(lián)電極ETO在大功率工業(yè)中最典型應(yīng)用是三相逆變器。這里以三相逆變器為例,說明ETO實用中應(yīng)處理的一些問題。圖4是基于ETO的三相逆變器原理圖。若使用額定值為4.5kV/1kA的ETO1045S型器件,則實際應(yīng)用中因受發(fā)熱的限制,一般只能工作在300~400A的平均電流下,承受的母線電壓可高達3kV,在雙側(cè)冷卻情況下,開關(guān)頻率可高于1.5kHz,且器件不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力。逆變器每一相由兩個ETO和反并聯(lián)二極管、一個箝位二極管、箝位電容、門極驅(qū)動器及適當(dāng)?shù)纳崞瑯?gòu)成。ETO和二極管封裝在一起。每一相構(gòu)成一個模塊,含5個散熱片,除了消耗功率很小的箝位二極管外,每個器件都是雙側(cè)冷卻。因ETO的額定電流很大,因此一般采用水冷散熱,這樣既減小裝置體積,又提高設(shè)備使用效率。前述提到ETO具有無緩沖關(guān)斷能力,但實際應(yīng)用中與其反并聯(lián)的二極管并不能無緩沖關(guān)斷,所以仍需設(shè)置di/dt緩沖器。緩沖器可沿用傳統(tǒng)的RLD結(jié)構(gòu)(見圖4)。該緩沖器的存在也會大大降低ETO的導(dǎo)通損耗,當(dāng)上下開關(guān)同時導(dǎo)通時還可防止兩個器件的擊穿損壞。對于上例中設(shè)計的逆變器,采用的二極管在關(guān)斷時可承受最大500A/μs的di/dt,這樣選擇的緩沖器電感是6.7μH。為了對ETO產(chǎn)生最小的電壓應(yīng)力,每一相都要集成箝位電路,該箝位電路由一個二極管和一個高頻低阻抗電容構(gòu)成。該電容應(yīng)該安裝得與ETO很接近,這樣可吸收母線寄生電感的能量。箝位二極管與di/dt緩沖器使用的二極管是同一個二極管,這種集成減少了元件數(shù),也簡化了結(jié)構(gòu)(見圖4)。6作為發(fā)展社會主義和諧社會的mems與繼續(xù)擴大功率晶閘管的半控性、GTO復(fù)雜的驅(qū)動控制、慢速的開關(guān)特性及較小的安全工作區(qū)使它很難滿足現(xiàn)代大功率應(yīng)用領(lǐng)域高品質(zhì)性能的要求。為此,開發(fā)性能更加優(yōu)越