摘 要：本文通过对IGCT结构特点及工作原理的定性分析，建立了IGCT的结构模型，并利用MEDICI软件对IGCT的阻断特性进行了模拟分析，给出了2800V IGCT纵向结构设计参数和I-U特性模拟曲线。
   
    1 引 言
    IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）称为集成门极换流晶闸管。它是近年来发展起来的一种新型的电力电子器件。与GTO和IGBT相比，IGCT具有损耗低、速度快、内部机械部件少、成本低和结构紧凑等优点，能可靠、高效地应用于各种驱动控制，静态无功补偿器SVG，电力变流器及柔性交流输出系统FACTS、电机车变电站和民用电力市场。
    IGCT最早是由瑞士ABB公司提出的，随后日本三菱电子公司也开始研究IGCT。目前ABB公司的IGCT已形成了系列产品。主要有非对称型和逆导型两种。其中大部分为逆导型IGCT，其最高阻断电压为6kV，最大可关断电流为6kA。而国内对IGCT的研究尚处于开发阶段。因此，为了促进国内电力电子技术的发展，缩小与国外的差距，我国应加大IGCT开发力度。
    2 结构特点与工作原理
    GCT的基本结构与GTO相似，都采用分离并联的阴极结构，门极和阳极均为公共连接。图1是GCT一个单元的剖面图。它由两部分组成：左边是一个五层的PNN-PN+晶闸管，可认为是由GTO改变而成。其N基区由N-基区和n缓冲层两部分组成；并用透明阳极代替短路阳极，左边称为非对称型GCT；右边是PN-N二极管；两部分反并联形成逆导型GCT。
    GCT的工作原理与逆导型GTO的工作原理也有相同之处。GCT利用强门极脉冲开通，阴极NPN管在其导通前出现有效饱和，使GCT实现均匀导通，转而成为一种晶闸管状态。因此导通时GCT相当于一个晶闸管，具有较低的压降；阻断时则相当于一个PNP晶体管。两者的区别在于关断机理不同。GTO由导通态转到阻断态，要经过一个既非晶体管又非晶闸管的“GTO”区。在此期间GTO要承受较大的电流和电压，因此功耗很大，且易重新触发导通。而GCT在主阻断结上的电压上升之前，阴极NPN管就被关断，因而没有“GTO区”，其实质是PNP晶体管的关断，因此关断时间很短，关断损耗也很小。
    3 结构模型
    根据IGCT具有缓冲层、透明阳极及逆导结构的特点，建立了IGCT的模型结构。假定GCT管芯采用圆形硅片，PNN-PN+晶闸管部分位于硅片中心，外围为PN-N二极管部分。其剖面如图2所示。左边为PNN-PN+晶闸管部分，右边为PN-N二极管部分。其中PNN-PN+晶闸管采用了与GTO相似的多门极-多阴极并联结构，阳极与PN-N二极管的阴极共用。由于阻断特性仅与纵向结构有关，所以图中只画出了一个阴极单元。
    以2800V IGCT的设计为例，首先考虑N-基区的设计。
    由于GCT管芯中集成了PN+N-PN+晶闸管与PN+N二极管，为了承受相同的阻断电压，两者的N-基区应具有相同的厚度和电阻率。
    N-基区设计时主要是协调阻断电压与通态压降之间的矛盾。N-基区的厚度越厚，电阻率越高，其阻断电压越高，但其通态压降也会增加。因此,设计时要对N-基区厚度和电阻率折衷考虑。在保证N-基区能承受一定阻断电压的前提下，应尽量减小通态压降。
    为了确定N-基区厚度和电阻率，我们利用MEDICI软件对PN-N二极管的阻断电压与N-基区的厚度和电阻率之间的关系进行了模拟分析，结果如图3所示。

    图3a是rN-为200W·cm时UBR随WN-的变化曲线。可见UBR随WN-的增加而上升。图3b是WN-为180mm时UBR随NN-（或1/rN-）的变化曲线。可见UBR随NN-的增加而下降。要保证PN-N二极管的UBR为2800V，则取rN-=200W·cm时，对应的WN-必须大于180mm。或者当取WN-为180mm时，则对应N-基区的浓度必须小于2.3×1013cm-3（或电阻率rN-必须大于200W·cm）。
    因此，N-基区的选取原则是：在满足阻断电压的前提下，尽量减小硅片的电阻率以降低成本；采用PT结构，可适当放宽N-区的厚度以便于实际工艺操作。故对阻断电压为2800V的IGCT，N-基区的电阻率可选择为rN-为190±10W·cm，厚度选择为190±10mm。
    其他区域参数的选取依据如下设计考虑：
    P基区设计：P基区宽度和浓度必须保证能承受足够高的正向阻断电压，在短基区内不发生穿通。但P基区宽度主要由NPN晶体管的放大系数a2确定，并与门极触发有关。设计时也要综合考虑P基区宽度和浓度。在保证a2较大且有合适的门极特性的前提下，使P基区的厚度有一定的余量以防止P基区穿通。
    N缓冲层设计：主要是协调通态压降和关断时间之间的矛盾。N缓冲层区的厚度越厚，浓度越高，则J2结的耗尽层就不容易穿通N区到达J1结；同时PNP晶体管的发射效率就越小，导致关断时间减小；但这会引起通态压降增加。设计时也要对N缓冲层区的厚度和浓度进行折衷考虑，在保证N-基区的耗尽层不穿通的提前下，选择合适的浓度和厚度以协调通态压降与关断时间之间的矛盾。
    根据以上设计考虑，确定的模型参数如图2所示。
    4 模拟结果及其分析
    根据上述分析所确定的结构模型参数，利用MEDICI软件对IGCT中的PNN-PN+晶闸管和IGCT的阻断电压进行了模拟。
    4.1 PNN-PN+晶闸管的模拟结果
    根据结构模型参数确定的PN-N二极管的杂质分布如图4a所示。在此分布下阻断电压的模拟结果如图4b所示。
   
   

   由模拟结果可知，当PN+N-PN+晶闸管的N-基区厚度大约为200mm，得到阻断电压为2800V。因此，N-基区的设计参数符合阻断电压要求。
    为了便于与PNN-PN+晶闸管进行比较，对PNPN晶闸管的阻断特性也进行了模拟。模拟时所用的掺杂分布及模拟结果如图5所示。
   
    由图可见，要达到2800V的阻断电压，采用NPT结构大约需要的N基区厚度为420mm。
    由以上模拟结果可知，对于相同的阻断电压，采用PT结构所需的N-基区厚度大约为NPT结构的47.6%（注意PT的N基区浓度比NPT结构的稍低）。所以，在相同的N-基区厚度下，采用PT结构可以提高阻断电压。
    4.2 GCT的模拟结果
    模拟IGCT正向特性时所用的杂质分布与PNN-PN+晶闸管相同，反向特性时所用的杂质分布与PN-N二极管相同。图6给出了IG=0时IGCT的I-U特性模拟曲线。可见，当门极电流为零时，若阳-阴极间的电压UAK为正且值较小时，IGCT呈正向阻断状态。此时可承受高电压。当UAK超过其最大阻断电压时，J2结击穿，阳极电流急剧上升。故IGCT的正向I-U特性与PNN-PN+晶闸管一致（如图6a）。若阳-阴极间的电压UAK为负时，IGCT呈反向导通状态。此时不能承受电压，但能通过大电流。故反向I-U特性与二极管的相同（如图6b）。可见，IGCT具有与逆导晶闸管相同的I-U特性。
      
    5 总 结
    通过对IGCT结构及其工作原理的分析，建立了IGCT的结构模型，给出了2800V IGCT的纵向结构设计参数，并利用MEDICI软件对其阻断特性进行了详细的分析，说明设计的结构参数可达到设计指标要求。最后分析了IGCT的I-U特性，说明IGCT具有与逆导晶闸管相同的I-U特性。
   
    参考资料：
    [1].S. Klaka, S. Linder, M. Frecker. A Family of Reverse Conducting Gate Commutated Thyristors for Medium Voltage Drive Applications, PCIM Hong Kong, Proceedings,1997
    [2]. H. Grüning, B. degård, J. Rees. HD-GTO Module for Snubberless Operation, High-Power Hard-Driven GTO Module for 4.5 kV/3 kA Snubberless Operation, PCIM,1996
    [3]. Eric Carroll, Sven Klaka, Stefan Linder IGCTs: A New Approach to High Power Electronics , IEMDC Milwaukee, Press Conference, May 20, 1997
    [4]. Peter Steimer, etc. IGCT Devices - Applications and Future Opportunities, IEEE/PES, July 2000