MOS-GCT的關斷機理與特性分析
發(fā)布時間：2020-07-07 23:01
【摘要】：集成門極換流晶閘管(IGCT)采用“硬驅動”技術來控制其開通和關斷,門極控制單元需要提供一個上升率和幅值很高的電流脈沖,這要求GCT和門極驅動單元之間必須有很低的電感和電阻,因此通常將GCT與門極驅動電路集成在一個印刷電路板上,這會使得IGCT的驅動電路很復雜,體積龐大且靈活性低。為解決IGCT存在的上述問題,本文提出了一種雙門極MOS-GCT,將關斷電路中的pMOS管直接集成在GCT芯片上,利用負柵壓來控制pMOS開通,以實現(xiàn)內部瞬間換流,達到簡化驅動電路的目的。本文以3.3kV電壓等級為例,利用Sentaurus-TCAD軟件研究了雙門極MOS-GCT的開關機理,并對各項特性進行仿真,分析了關鍵結構參數(shù)及高溫對器件特性的影響,最后對一種集成化MOS-GCT的工作機理和特性進行了研究。主要研究內容如下:第一,分析了雙門極MOS-GCT的結構、工作原理及其工藝特點,確定了芯片制作的工藝流程,并進行了相應的工藝模擬。建立了結構模型和動態(tài)特性測試電路,仿真分析了關斷過程中器件內部的電場強度分布、載流子濃度分布及電流密度的變化,研究了雙門極MOS-GCT的關斷機理。研究表明,雙門極MOS-GCT在關斷時可實現(xiàn)內部瞬間換流。第二,研究雙門極MOS-GCT的靜、動態(tài)特性,分析了關鍵結構參數(shù),如集成的pMOS的結構參數(shù),n-基區(qū),p基區(qū)厚度以及n+陰極區(qū)寬度對器件各項特性的影響,并提取合理的結構參數(shù);對比分析了溫度對器件特性的影響。第三,將雙門極MOS-GCT的開通門極(Gon)和關斷門極(Goff)合并,形成了一種集成化的MOS-GCT。分析了集成化MOS-GCT的結構特點與工藝方法,研究了其阻斷與開關機理,并與雙門極MOS-GCT的各項特性進行了對比。結果表明,采用集成化門極的MOS-GCT在開關特性上雖略遜于雙門極MOS-GCT,但完全可以通過電壓來驅動,因此可進一步簡化了驅動電路和封裝結構。本文的研究結果對IGCT的設計與開發(fā)有一定的參考價值。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN34
【圖文】：
T 器件結構的發(fā)展1996 年 ABB 公司提出一種透明陽極硬驅動 GTO，使其關斷增益降為 1。因為 GTO 擁大的吸收電路[4]，人們一直對它保持固有成見。因此于 1997 年將透明陽極硬驅動 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：非對稱型，逆導型，逆阻型。其中非對稱 GCT 已經(jīng)產(chǎn)品化的電壓有：4.5kV，5.5kV，6.5kV，且可達到 10kV 電壓等級的研制水平，相比較兩個 4.5kVCT 串聯(lián)，一個 10kV IGCT 的使用能夠在每個開關位置處在元件數(shù)量上減少 41% 71%靠性上增加 56%[5]。日本的三菱公司于 1998 年也開發(fā)了直徑是 88mm 的 6kV/4kA 的6]。圖 1-1(a)為非對稱 GCT(A-GCT)的結構剖面圖，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，大大簡化了相關構件的壓裝。逆阻 GCT(RB-GCT)它是T 與一個二極管同向串聯(lián)之后，再封裝在一個管殼之內，可實現(xiàn)正、反向耐壓的需求文獻將它稱為對稱門極換流晶閘管，即 SGCT。
(a)雙門極 GCT 的結構剖面圖 (b)雙門極 GCT 的等效電路圖圖 1-2 Dual Gate GCT 的結構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 的結構中，引入了波紋狀的基區(qū)，這種技術被成igh-Power Technology”技術，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結構，此結構提高了電流關力，增大了安全工作區(qū)，且在高溫下有高的關斷能力[8][9]。安全工作區(qū)的擴展與主結的分布有關，主結附近的電場由于波狀的形狀而得到調制，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)達到最大值[10]。
剖面圖 (b)雙門極 GCT 1-2 Dual Gate GCT 的結構剖面圖和等效電路Structure profile and equivalent circuit of Dual G GCT 的結構中，引入了波紋狀的基術，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結構，且在高溫下有高的關斷能力[8][9]。安全電場由于波狀的形狀而得到調制，并且工作區(qū)達到最大值[10]。
本文編號：2745738
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN34
【圖文】：
T 器件結構的發(fā)展1996 年 ABB 公司提出一種透明陽極硬驅動 GTO，使其關斷增益降為 1。因為 GTO 擁大的吸收電路[4]，人們一直對它保持固有成見。因此于 1997 年將透明陽極硬驅動 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：非對稱型，逆導型，逆阻型。其中非對稱 GCT 已經(jīng)產(chǎn)品化的電壓有：4.5kV，5.5kV，6.5kV，且可達到 10kV 電壓等級的研制水平，相比較兩個 4.5kVCT 串聯(lián)，一個 10kV IGCT 的使用能夠在每個開關位置處在元件數(shù)量上減少 41% 71%靠性上增加 56%[5]。日本的三菱公司于 1998 年也開發(fā)了直徑是 88mm 的 6kV/4kA 的6]。圖 1-1(a)為非對稱 GCT(A-GCT)的結構剖面圖，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，大大簡化了相關構件的壓裝。逆阻 GCT(RB-GCT)它是T 與一個二極管同向串聯(lián)之后，再封裝在一個管殼之內，可實現(xiàn)正、反向耐壓的需求文獻將它稱為對稱門極換流晶閘管，即 SGCT。
(a)雙門極 GCT 的結構剖面圖 (b)雙門極 GCT 的等效電路圖圖 1-2 Dual Gate GCT 的結構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 的結構中，引入了波紋狀的基區(qū)，這種技術被成igh-Power Technology”技術，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結構，此結構提高了電流關力，增大了安全工作區(qū)，且在高溫下有高的關斷能力[8][9]。安全工作區(qū)的擴展與主結的分布有關，主結附近的電場由于波狀的形狀而得到調制，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)達到最大值[10]。
剖面圖 (b)雙門極 GCT 1-2 Dual Gate GCT 的結構剖面圖和等效電路Structure profile and equivalent circuit of Dual G GCT 的結構中，引入了波紋狀的基術，圖 1-3 為波狀基區(qū)的 GCT 新結構，且在高溫下有高的關斷能力[8][9]。安全電場由于波狀的形狀而得到調制，并且工作區(qū)達到最大值[10]。
【參考文獻】
相關期刊論文 前4條
1 張明;陳芳林;李繼魯;蔣誼;陳彥;趙燕峰;;國內IGCT器件的新進展[J];大功率變流技術;2008年06期
2 余世科;新型電力電子器件IGCT及其應用[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功率開關器件─—IGCT[J];國外內燃機車;1998年05期
4 馮玉春,羅晉生;MCT關斷特性的分析[J];電力電子技術;1997年01期
本文編號：2745738
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