IGCT-Thyristor

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Der IGC-Thyristor (engl.: integrated gate commutated thyristor, IGCT) ist eine Weiterentwicklung des GTO-Thyristor, daher in Halbleiterbauelement, das aus vier oder mehr Halbleiterschichten wechselnder Dotierung aufgebaut ist.

Schaltsymbol eines IGCT-Thyristors

Technologiequerschnitt durch einen IGC-Thyristor

Eigenschaften

IGCTs zeichnen sich diesen gegenüber aus durch:

• einen verringerten Beschaltungsaufwand
• Erhöhung der maximalen Pulsfrequenzen zur Ansteuerung
• bessere Schaltzeiten bei Reihenschaltung
• verbessertes GTO-Schaltverhalten für einen Betrieb ohne du/dt-Schutzbeschaltung bei hoher Stromdichte
• niedrigere Durchlass- und Schaltverluste durch eine dünnere Siliziumscheibe (Wafer)
• geringere Anforderungen an den Gate-Treiber, insbesondere im Durchlasszustand
• Entwicklung von antiparallelen Dioden, die in der Lage sind, auch bei hohen di/dt-Werten ohne Schutzbeschaltung abzuschalten
• Integration der Hauptschalter (GTO-Thyristor und Diode) in einem Halbleiterbauelement

Für Anwendungen mit hohen Leistungen waren darüber hinaus einige zusätzliche Eigenschaften erforderlich:

• höhere Zuverlässigkeit pro MVA durch einfacheren Aufbau und geringere Anzahl von Komponenten
• Erweiterung des Leistungsbereichs durch eine kostengünstige und zuverlässige Reihen- und Parallelschaltung

Eine erhebliche Ausweitung des zuverlässigen GTO-Arbeitsbereichs bei hohen Leistungen wird durch die harte oder Hard-Drive-Ansteuerung erreicht, bei der ein integrierter Gate-Treiber zunächst den Kathodenstrom vollständig sperrt, bevor sich die Anodenspannung aufbaut. Diese Technik setzt eine sehr niedrige Steuerkreisinduktivität voraus, die durch eine koaxiale Gate-Durchführung und die Kontaktierung des Gate-Treibers über eine Mehrlagenleiterplatte gewährleistet wird. Auf diese Weise können mit einer Gatespannung von 20 V Werte = 5–6 kA/μs realisiert werden.

Wenn der Kathodenstrom den Wert Null erreicht hat, erfolgt ein Übergang des vollen verbleibenden Anodenstroms zum Gate, das in einem niederohmigen Zustand bleibt. Ein Übersteuern des Gates wird vermieden und dadurch der Energieverbrauch des Gate-Treibers minimiert. Die harte Ansteuerung führt den Thyristor aus einem stabilen, durch sein Einrastverhalten gekennzeichneten pnpn-Zustand innerhalb von 1 μs in einen pnp-Zustand. Der gesamte Abschaltvorgang erfolgt dann im Transistormodus, wodurch ein Einrasten ausgeschlossen ist und ein homogenes Schalten erreicht wird. Der zulässige Arbeitsbereich (engl.: safe operating area, SOA) kann so bis zum dynamischen Avalanche (Lawinendurchbruch) ausgedehnt werden (250 kW/cm²). Das Schaltgerät ist so ausgelegt, dass es die gesamte Siliziumfläche bis an die physikalischen Grenzen nutzen kann. Damit werden Abschaltströme pro Silizium-Flächeneinheit möglich, wie sie zuvor nur von den besten, mit Schutzbeschaltungen versehenen GTO-Geräten erreicht wurden.

Literatur

• Peter K. Steimer, Horst E. Grüning, Johannes Werninger, Eric Carroll, Sven Klaka, Stefan Linder: IGCT – eine neue, zukunftsweisende Technik für kostengünstige Hochleistungsumrichter. In: ABB Technik. Nr. 5, 1998, S. 1–9 (PDF).