隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率器件的種類(lèi)和應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷擴(kuò)展和多樣化，應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)功率器件提出高功率、高可靠、高魯棒的需求，現(xiàn)有主流產(chǎn)品IGBT、IGCT難以滿足。

GATH是一種新型IGCT，是以多晶硅發(fā)射極和深柵P+區(qū)為特點(diǎn)的微細(xì)元胞的電流型器件，解決了IGCT的開(kāi)通集邊、關(guān)斷擠流等主要問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)功耗僅為IGCT的幾分之一，不需要外加電抗控制dI/dt，GATH驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。與IGBT相比，GATH具有高魯棒性、高可靠、高功率、低成本的優(yōu)勢(shì)。

目  錄

1 概述

1.1 項(xiàng)目背景

1.2高壓場(chǎng)景功率器件的主要問(wèn)題

1.2.1 IGBT的問(wèn)題

1.2.2 IGCT的問(wèn)題

2 結(jié)構(gòu)

2.1 聯(lián)柵是什么

2.2 GATH對(duì)功率器件的改進(jìn)

2.2.1 GATH的結(jié)構(gòu)

2.2.2 GATH的工作原理

2.2.3. GATH改進(jìn)元胞變小解決了什么問(wèn)題

2.3 逆導(dǎo)型GATH

2.4 聯(lián)柵的技術(shù)來(lái)源

2.4.1獨(dú)創(chuàng)的深柵P+替代柵鋁

2.4.2傳統(tǒng)聯(lián)柵晶體管GAT

2.4.3 IGCT和FS IGBT

2.4.4超高速雙極型IC

2.5 聯(lián)柵功率管工藝

2.5.1聯(lián)柵功率管工藝平臺(tái)

2.5.2 聯(lián)柵功率管工藝流程

2.5.3 4500V RCGATH器件的開(kāi)發(fā)

2.5.3.1目標(biāo)

2.5.3.2內(nèi)容

2.5.3.3研發(fā)內(nèi)容

2.5.4 6500V GATH設(shè)計(jì)

2.5.4.1研制目標(biāo)

2.5.4.2 電參數(shù)

2.5.4.3產(chǎn)品研制方案

3 電氣特性

3.1抗電流沖擊能力

3.2電流密度

3.3 短路耐量

3.4 最高安全關(guān)斷電流密度

3.5 均流

3.6工作溫度

3.7高功率

4 驅(qū)動(dòng)特性

4.1 GATH驅(qū)動(dòng)特性

4.1.1 GATH的關(guān)斷機(jī)理

4.1.2 GATH線路換流

4.1.3 GATH驅(qū)動(dòng)線路

4.1.2 GATH隔離脈沖驅(qū)動(dòng)線路

5 可靠性實(shí)驗(yàn)

5.1 50D12 模塊參數(shù)測(cè)試

5.2 通流試驗(yàn)

5.2.1測(cè)試條件

5.2.2測(cè)試線路

5.2.3測(cè)試結(jié)果

5.2.4結(jié)論

5.3 EMC試驗(yàn)

5.3.1GATH驅(qū)動(dòng)板EMC試驗(yàn)

6.1高壓繼電器和高壓斷路器

6.1.1.1在異常工況下，GATH的魯棒性比IGBT高10倍

6.1.1.2在正常工況下，GATH的長(zhǎng)期可靠性比IGBT高10倍

6.1.2發(fā)熱和均流

6.1.2.1發(fā)熱

6.1.2.2均流

6.1.3 GATH重要參數(shù)

6.1.4 GATH應(yīng)用注意的關(guān)鍵問(wèn)題

6.2  GATH在軌道交通中可靠性?xún)?yōu)于IGBT

6.2.1 IGBT在軌道交通中的問(wèn)題

6.2.1.1電壓

6.2.1.2電流

6.2.1.3溫度

6.2.1.4功率循環(huán)PC

6.2.1.5短路

6.2.1.6 GATH對(duì)IGCT的優(yōu)勢(shì)

6.2.1.7 GATH關(guān)斷電源的要求

6.2.1.8 GAHT芯片的研發(fā)步驟（三步走）

6.3 GATH在柔直中的優(yōu)勢(shì)

6.3.1 IGBT在柔直中的局限

6.3.2 GATH在柔直中的優(yōu)勢(shì)

6.3.2.1 GATH能夠做8000V高壓產(chǎn)品

6.3.2.2.GATH可以做5000A大電流

6.3.2.3 GATH成本僅為IGBT的一半

6.3.2.4 GATH的魯棒性比IGBT高十倍

6.3.2.5 GATH的最高工作溫度200℃

6.3.2.6 GATH更適于并聯(lián)獲得大電流

6.3.2.7 GATH更適合做逆導(dǎo)型

6.3.2.8 一些重要的性能問(wèn)題

6.3.2.9結(jié)論

7 結(jié)論

1 概述

1.1 項(xiàng)目背景

功率半導(dǎo)體，又稱(chēng)電力電子器件或功率電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的一類(lèi)器件之一。能夠?qū)崿F(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和電路控制，在電路中主要起著功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線路保護(hù)、逆變（直流轉(zhuǎn)交流）和整流（交流轉(zhuǎn)直流）等作用。

高壓功率器件主要技術(shù)是IGBT和IGCT。

IGBT， (Insulated Gate Bipolar Transistor) 是一種全控型功率半導(dǎo)體器件，具有高耐壓、大電流、開(kāi)關(guān)頻率高、低飽和電壓、高導(dǎo)通電阻小、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。IGBT主要失效機(jī)理：閂鎖，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)置NPNP晶閘管，造成過(guò)壓浪涌閂鎖，越是高溫、高壓、大電流場(chǎng)景下，閂鎖顯著，可靠性下降。

IGCT（集成門(mén)極換流晶閘管） 1997年由ABB公司提出，具有電流大、阻斷電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高、低導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制問(wèn)題，開(kāi)關(guān)速度慢、驅(qū)動(dòng)功耗大，圓片管芯、應(yīng)用領(lǐng)域受限等弱點(diǎn)。

1.2高壓場(chǎng)景功率器件的主要問(wèn)題

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率器件的種類(lèi)和應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷擴(kuò)展和多樣化，應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)功率器件提出高功率、高可靠、高魯棒的需求，現(xiàn)有主流產(chǎn)品IGBT、IGCT難以滿足。

1.2.1 IGBT的問(wèn)題

（1） IGBT失效機(jī)理和結(jié)構(gòu)關(guān)系

IGBT最常見(jiàn)的失效類(lèi)型是雪崩擊穿。動(dòng)態(tài)雪崩，過(guò)電壓雪崩，就能夠產(chǎn)生雪崩電流。雪崩電流達(dá)到某個(gè)不大的臨界值，功率管就會(huì)燒毀。因?yàn)闁攀墙^緣柵，管芯內(nèi)部的電流不可能通過(guò)柵極流動(dòng)，只能夠通過(guò)元包內(nèi)部。元包內(nèi)部必定包括一個(gè)NPN結(jié)構(gòu)，IGBT由于具有P型底層，其元包具有PNPN結(jié)構(gòu)。電流密度超過(guò)某個(gè)臨界值，IGBT超過(guò)800A/cm2就發(fā)生閂鎖。

圖1-1 IGBT結(jié)構(gòu)圖

（2）閂鎖限制了IGBT在高壓大電流場(chǎng)景的表現(xiàn)

閂鎖是IGBT的主要失效模式，閂鎖限制了IGBT芯片做更高的耐壓和更大的電流。IGBT是高壓器件，關(guān)斷瞬間，承受高壓的終端環(huán)下面覆蓋區(qū)域的電流只能夠從有源區(qū)內(nèi)部流出。于是，有源區(qū)最外圈的IGBT元包承受的電流比內(nèi)部元包高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，在鄰近終端的有源區(qū)最外圈最容易發(fā)生閂鎖。耐壓規(guī)格越高，終端越寬，終端區(qū)域流出的電流越大，有源區(qū)最外圈越容易發(fā)生閂鎖。所以，IGBT產(chǎn)品耐壓規(guī)格最高只能夠達(dá)到6500V。IGBT電流越大，管芯面積就必須越大。管芯越大，各點(diǎn)的不均勻性越大，越容易發(fā)生閂鎖。所以，IGBT的單個(gè)管芯面積也不宜做大，只適合用多個(gè)管芯并聯(lián)做大功率。

（3）IGBT閂鎖對(duì)應(yīng)用的影響

IGBT受制于閂鎖以及柵穿。越是高壓越容易閂鎖。所以，IGBT產(chǎn)品最高耐壓僅6500V，而且為了安全，張北柔直的IGBT僅用4500V。

為了獲得更高的耐壓，需要串聯(lián)多個(gè)IGBT。由于不可能完全同時(shí)開(kāi)關(guān)，總有個(gè)別的IGBT瞬間承受過(guò)高的電壓雪崩，存在雪崩引發(fā)閂鎖的幾率。串聯(lián)得越多，引發(fā)閂鎖的幾率越大。從經(jīng)濟(jì)合理性考慮，串聯(lián)的數(shù)量就必定受到一定的限制，即通過(guò)串聯(lián)IGBT能夠獲取多高的耐壓受到IGBT發(fā)生閂鎖的幾率的限制。張北柔直用IGBT只能做到直流500KV，達(dá)不到特高壓直流800KV的要求。

1.2.2 IGCT的問(wèn)題

圖1-2 GCT截面結(jié)構(gòu)示意圖      圖1-3 GCT導(dǎo)通態(tài)和阻斷態(tài)的等效電路

IGCT主要由主開(kāi)關(guān)器件GCT及其相應(yīng)的集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元所組成。GCT是由GTO演變而來(lái)，引入了緩沖層、陽(yáng)極透明發(fā)射極和逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其核心器件GCT如圖1-3所示的剖面結(jié)構(gòu)。

IGCT的問(wèn)題是安全關(guān)斷。電流大了關(guān)不斷，結(jié)溫高了關(guān)不斷。ABB的IGCT  最大關(guān)斷電流4000A，芯片的直徑91 mm。按照有源區(qū)計(jì)算，其最大關(guān)斷電流密度只有80A/cm2。IGCT 的最高結(jié)溫140°C。IGCT不論電流規(guī)格，還是結(jié)溫規(guī)格，都比IGBT低很多。根源是IGCT采用臺(tái)面工藝，元包巨大，很難關(guān)斷。必須借助強(qiáng)大的外力“硬驅(qū)動(dòng)”，不僅關(guān)斷驅(qū)動(dòng)功耗大，達(dá)到IGBT的50倍，而且，關(guān)斷效果也不佳。