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會(huì)員注冊(cè)IGBT，IGCT和IEGT分別是什么，區(qū)別和共同點(diǎn)是什么？
IGBT與集成門極換流晶閘管IGCT對(duì)比
受當(dāng)前技術(shù)水平限制，IGBT的工作電流相對(duì)較小，比較常用的中高壓大功率IGBT有1700V/ 2400A、3300V/1200A、4500V/900 A、6 500 V/600 A等幾種規(guī)格，采用單元件的變流器輸出容量一般不超過1.6 MVA，如要進(jìn)一步增加輸出容量，只能采用元件并聯(lián)或變流器并聯(lián)的方式。無論是采取元件串聯(lián)或并聯(lián)使用還是采用變流器并聯(lián)的方法，都會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致效率和可靠性的降低。
IGCT和GTO相比有著更明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）無需關(guān)斷吸收電路，可減小變流器的體積和重量，提高變流器的效率和可靠性，降低成本；串聯(lián)使用時(shí)雖需關(guān)斷吸收電路，但體積比GTO的小很多；（2）門極驅(qū)動(dòng)電路集成在IGCT內(nèi)，對(duì)外只有門極驅(qū)動(dòng)供電接口和用于傳輸觸發(fā)信號(hào)和反饋狀態(tài)的光纖，可提高變流器抗電磁干擾能力；（3）通態(tài)和關(guān)斷損耗較小。下圖是3.3kV下IGBT、GTO和IGCT對(duì)比。
圖1：IGBT與IGCT、GTO對(duì)比
通過上圖對(duì)比可以看出：IGCT損耗更少。三種器件的關(guān)斷損耗相差不大，導(dǎo)通損耗IGCT和IGBT相差兩倍，但I(xiàn)GCT驅(qū)動(dòng)功率要遠(yuǎn)比IGBT大。總之，IGBT在較低電壓應(yīng)用時(shí)，IGBT的導(dǎo)通損耗較低，所以性價(jià)比高。而IGCT在較高電壓時(shí)性價(jià)比高。根據(jù)使用場(chǎng)合和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在1800V~3300V兩者之間有重疊。
IGBT與電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT對(duì)比
IGBT是一種MOS門極器件，它的門極由電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度高，因此在高頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但它也有一些問題，例如工作電壓低，容量小，導(dǎo)通壓降和損耗高，這也限制了它的應(yīng)用。而IEGT是一種兼?zhèn)淦鋬?yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)的新器件。近年來已經(jīng)形成了商用產(chǎn)品。與傳統(tǒng)器件相比．它具有通態(tài)壓降低，門極驅(qū)動(dòng)電流小，功率密度大，開關(guān)損耗小，速度快的優(yōu)點(diǎn)。圖2為IEGT和GTO門極參數(shù)對(duì)比，圖3為針對(duì)典型規(guī)格的4.5KV/3kA IEGT、GTO、IGCT性能對(duì)比。
圖2：IEGT和GTO門極參數(shù)對(duì)比
圖3：針對(duì)典型規(guī)格的4.5KV/3kA IEGT、GTO、IGCT性能對(duì)比
IEGT的優(yōu)越性能決定了它非常適合在各種大功率變流器中使用。IEGT內(nèi)部已集成了一個(gè)快速的反并聯(lián)二極管，且IEGT具有很寬的安全工作區(qū)并能承受較高的dv/dt和di/dt，因此IEGT逆變器無需陽極電抗，只需公用一個(gè)關(guān)斷吸收電路。此外，IEGT門極驅(qū)動(dòng)功率不到lW，門極驅(qū)動(dòng)模塊體積很小。由于IEGT逆變器使用元件數(shù)量少，因而可靠性也得到很大提高。其典型特點(diǎn)如下：
●與GTO一樣具有低的導(dǎo)通電壓降；
●與IGBT一樣具有寬的安全工作區(qū)；
●門極采用電壓驅(qū)動(dòng)方式；
●較高的工作頻率500-1000Hz；
●高可靠性。
綜上比較，IEGT將GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn)集于一身，它具有導(dǎo)通壓降低、工作頻率高、電壓型門極驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)寬、易于串聯(lián)使用等優(yōu)點(diǎn)。
從功率等級(jí)和電壓等級(jí)上來講，IGCT、IEGT與IGBT的定位遠(yuǎn)不相同，IGCT及IEGT主要應(yīng)用在高壓大容量的場(chǎng)合，IGBT應(yīng)用在低壓高頻小容量場(chǎng)合。綜上兩節(jié)所述，得到如下結(jié)論：
●IGCT、IEGT開關(guān)頻率都很高，在500-1000Hz之間，雖然遠(yuǎn)不及IGBT高，但在很多場(chǎng)合已經(jīng)足夠。
●IGCT是電流脈沖驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率比較大，但其門極驅(qū)動(dòng)電路集成在IGCT內(nèi)，對(duì)外只有門極驅(qū)動(dòng)供電接口和用于傳輸觸發(fā)信號(hào)和反饋狀態(tài)的光纖，驅(qū)動(dòng)體積小且簡(jiǎn)易。IEGT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)功率與IGBT差不多。
●IGCT是晶閘管的復(fù)合管，可直接串聯(lián)，因此不必過多考慮均壓措施。而IGBT在串聯(lián)使用時(shí)應(yīng)考慮均壓措施。
●IGCT與IEGT導(dǎo)通和關(guān)斷損耗都很低，尤其是IGCT，如果不計(jì)驅(qū)動(dòng)功率，同電壓等級(jí)的IGCT損耗要比IGBT更低。
●對(duì)于IGCT和IEGT來說，4.5kV/3kA是較常用的規(guī)格，其容量和電壓等級(jí)要遠(yuǎn)比IGBT大得多，更適合應(yīng)用在大功率FACTS裝置及大功率傳動(dòng)裝置中。
變壓器結(jié)電容真的能使IGBT線路失效？
GBT的集電極電壓變化率，取決于與門極間等效電容在驅(qū)動(dòng)電流作用下對(duì)應(yīng)的電壓變化率。當(dāng)IGBT門極電壓變化到門極電流與工作電流相當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，門極電壓將不再變化。驅(qū)動(dòng)器輸出的電流將對(duì)門極和集電極之間的等效電容充放電，實(shí)現(xiàn)門極電位的變化。因此這個(gè)電位變化過程本身是對(duì)應(yīng)于該條件下對(duì)電容的恒流充電過程，其開始和結(jié)束都是近似于階躍性質(zhì)的。因此，總體上該干擾電流的函數(shù)具有門函數(shù)的特征。
對(duì)于該干擾電流對(duì)電路系統(tǒng)影響的分析。應(yīng)該采用類似小波變換的各類分析工具，從瞬時(shí)頻譜分析的角度去識(shí)別那些攜帶能量較多的瞬時(shí)頻率分量的特征。而不應(yīng)該是采用基于傅氏變換的全時(shí)域分析。原因是這一類全時(shí)域分析的結(jié)果實(shí)質(zhì)上是在瞬時(shí)頻域分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在時(shí)間上求平均的結(jié)果。這將導(dǎo)致信號(hào)實(shí)時(shí)特征的畸變和丟失。不能真實(shí)地反映問題。
不管采用何種瞬時(shí)頻率分析方法都將與宏觀上的電流函數(shù)特征相接近。那就是主要的瞬時(shí)頻率成分存在于門函數(shù)周期對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)以上，且較為接近。同時(shí)由于上升下降沿的存在。在相對(duì)較高的頻段也含有相當(dāng)一部分分量。這就使該干擾電流的主要瞬時(shí)頻率分量集中在低頻和高頻兩大部分。
其中，低頻部分的頻率大致是對(duì)應(yīng)IGBT上升下降時(shí)間所決定的電流持續(xù)時(shí)間。在數(shù)百納秒至數(shù)微秒量級(jí)，大致對(duì)應(yīng)1至10兆赫茲這一區(qū)間。而高頻部分則是來自門函數(shù)的上升下降沿速率決定的頻率。但這主要取決于耦合通路自身的頻率特性。應(yīng)該是明顯高于低頻部分的。進(jìn)一步考慮到實(shí)際中雜散參量對(duì)該電流的低通能力。實(shí)際中的高頻分量應(yīng)該處于數(shù)百兆赫茲的水平。
而1至10兆赫茲又是一個(gè)比較敏感的頻段。它是pcblayout中共點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的混疊區(qū)間。這意味著地線系統(tǒng)中感抗成分達(dá)到甚至超越阻抗成分成為主要因素。電流的分布路徑變得更加復(fù)雜且相對(duì)比較集中。由于該頻段下線路的感抗特征和阻抗特征都比較明顯，但還沒有高至雜散電容發(fā)揮作用，因此表現(xiàn)出的線路電抗值是比較大的。在相互連接的兩點(diǎn)之間具備形成較大電壓的條件。這部分的干擾電流雖然占據(jù)主體，能量很大。但是頻段相對(duì)較低，主要的影響還是集中在信號(hào)收發(fā)端之間形成的地電勢(shì)差上。這將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平判定閾值裕度的損失。使發(fā)生邏輯錯(cuò)誤的概率提高。
數(shù)百兆赫茲的高頻分量將表現(xiàn)出明顯的高頻電流特征。并且應(yīng)該是高于或接近多數(shù)主控芯片的工作頻率。大家知道，高頻數(shù)字電路中去耦電容的諧振頻率應(yīng)該是以電路最高工作頻率作為最佳點(diǎn)。而如果干擾電流的頻率高于電路最高工作頻率則很可能使去耦電容表現(xiàn)為感性。結(jié)果是在電流對(duì)電路整體補(bǔ)充電荷以達(dá)成電荷平衡（形成等勢(shì)體）的過程中，會(huì)導(dǎo)致電源電壓的較大波動(dòng)（尤其是電路接地處理不良的時(shí)候）。從該電流的功率級(jí)別來講，由于是來自IGBT的開關(guān)動(dòng)作。因此具有電流源性質(zhì)。其能量足以引發(fā)電源完整性問題。比如CMOS器件最危險(xiǎn)的閂鎖問題。其危害之大是可想而知的。
通過以上的內(nèi)容可以看到，變壓器結(jié)電容相對(duì)于電壓變化率過大，確實(shí)會(huì)為IGBT帶來較大的影響，尤其是對(duì)共地的電路系統(tǒng)的影響尤其大。在選擇IGBT驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況充分考慮該因素。對(duì)于控制電路復(fù)雜的系統(tǒng)要尤為注意。需要說明的是。比較不同驅(qū)動(dòng)器在這一方面的差異時(shí)，不能僅注意結(jié)電容的數(shù)值。需要格外關(guān)注其變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。當(dāng)然對(duì)于成熟的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。相信不同級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器必然有不同級(jí)別的隔離能力。只要不出現(xiàn)小馬拉大車的情況即可。但是對(duì)于自制的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品就很有必要比較與同類成熟產(chǎn)品之間在變壓器結(jié)構(gòu)上的差異。比如繞組的間距，繞組投影面積，繞組結(jié)構(gòu)等因素。以便實(shí)現(xiàn)比較可靠的自我評(píng)估。切不可僅僅以實(shí)測(cè)的電容值作為唯一比較參數(shù)。
本文對(duì)電子電路設(shè)計(jì)過程中IGBT失效分析情況進(jìn)行了講解，并通過不同的方面來對(duì)其中的原理進(jìn)行分析，幫助大家理解其中的知識(shí)點(diǎn)，希望大家在閱讀過本文之后能夠有所收獲。
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