隨著電力電子技術的發展，大功率器件的種類和應用場景也在不斷擴展和多樣化，應用場景對功率器件提出高功率、高可靠、高魯棒的需求，現有主流產品IGBT、IGCT難以滿足。

GATH是一種新型IGCT，是以多晶硅發射極和深柵P+區為特點的微細元胞的電流型器件，解決了IGCT的開通集邊、關斷擠流等主要問題，驅動功耗僅為IGCT的幾分之一，不需要外加電抗控制dI/dt，GATH驅動簡單，容易實現。與IGBT相比，GATH具有高魯棒性、高可靠、高功率、低成本的優勢。

目  錄

1 概述

1.1 項目背景

1.2高壓場景功率器件的主要問題

1.2.1 IGBT的問題

1.2.2 IGCT的問題

2 結構

2.1 聯柵是什么

2.2 GATH對功率器件的改進

2.2.1 GATH的結構

2.2.2 GATH的工作原理

2.2.3. GATH改進元胞變小解決了什么問題

2.3 逆導型GATH

2.4 聯柵的技術來源

2.4.1獨創的深柵P+替代柵鋁

2.4.2傳統聯柵晶體管GAT

2.4.3 IGCT和FS IGBT

2.4.4超高速雙極型IC

2.5 聯柵功率管工藝

2.5.1聯柵功率管工藝平臺

2.5.2 聯柵功率管工藝流程

2.5.3 4500V RCGATH器件的開發

2.5.3.1目標

2.5.3.2內容

2.5.3.3研發內容

2.5.4 6500V GATH設計

2.5.4.1研制目標

2.5.4.2 電參數

2.5.4.3產品研制方案

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 最高安全關斷電流密度

3.5 均流

3.6工作溫度

3.7高功率

4 驅動特性

4.1 GATH驅動特性

4.1.1 GATH的關斷機理

4.1.2 GATH線路換流

4.1.3 GATH驅動線路

4.1.2 GATH隔離脈沖驅動線路

5 可靠性實驗

5.1 50D12 模塊參數測試

5.2 通流試驗

5.2.1測試條件

5.2.2測試線路

5.2.3測試結果

5.2.4結論

5.3 EMC試驗

5.3.1GATH驅動板EMC試驗

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的長期可靠性比IGBT高10倍

6.1.2發熱和均流

6.1.2.1發熱

6.1.2.2均流

6.1.3 GATH重要參數

6.1.4 GATH應用注意的關鍵問題

6.2  GATH在軌道交通中可靠性優于IGBT

6.2.1 IGBT在軌道交通中的問題

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PC

6.2.1.5短路

6.2.1.6 GATH對IGCT的優勢

6.2.1.7 GATH關斷電源的要求

6.2.1.8 GAHT芯片的研發步驟（三步走）

6.3 GATH在柔直中的優勢

6.3.1 IGBT在柔直中的局限

6.3.2 GATH在柔直中的優勢

6.3.2.1 GATH能夠做8000V高壓產品

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更適于并聯獲得大電流

6.3.2.7 GATH更適合做逆導型

6.3.2.8 一些重要的性能問題

6.3.2.9結論

7 結論

1 概述

1.1 項目背景

功率半導體，又稱電力電子器件或功率電子器件，是電子產業鏈中最核心的一類器件之一。能夠實現電能轉換和電路控制，在電路中主要起著功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護、逆變（直流轉交流）和整流（交流轉直流）等作用。

高壓功率器件主要技術是IGBT和IGCT。

IGBT， (Insulated Gate Bipolar Transistor) 是一種全控型功率半導體器件，具有高耐壓、大電流、開關頻率高、低飽和電壓、高導通電阻小、易于驅動等優點。IGBT主要失效機理：閂鎖，由于結構內置NPNP晶閘管，造成過壓浪涌閂鎖，越是高溫、高壓、大電流場景下，閂鎖顯著，可靠性下降。

IGCT（集成門極換流晶閘管） 1997年由ABB公司提出，具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、低導通損耗等特點，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制問題，開關速度慢、驅動功耗大，圓片管芯、應用領域受限等弱點。

1.2高壓場景功率器件的主要問題

隨著電力電子技術的發展，大功率器件的種類和應用場景也在不斷擴展和多樣化，應用場景對功率器件提出高功率、高可靠、高魯棒的需求，現有主流產品IGBT、IGCT難以滿足。

1.2.1 IGBT的問題

（1） IGBT失效機理和結構關系

IGBT最常見的失效類型是雪崩擊穿。動態雪崩，過電壓雪崩，就能夠產生雪崩電流。雪崩電流達到某個不大的臨界值，功率管就會燒毀。因為柵是絕緣柵，管芯內部的電流不可能通過柵極流動，只能夠通過元包內部。元包內部必定包括一個NPN結構，IGBT由于具有P型底層，其元包具有PNPN結構。電流密度超過某個臨界值，IGBT超過800A/cm2就發生閂鎖。

圖1-1 IGBT結構圖

（2）閂鎖限制了IGBT在高壓大電流場景的表現

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，關斷瞬間，承受高壓的終端環下面覆蓋區域的電流只能夠從有源區內部流出。于是，有源區最外圈的IGBT元包承受的電流比內部元包高1-2個數量級，在鄰近終端的有源區最外圈最容易發生閂鎖。耐壓規格越高，終端越寬，終端區域流出的電流越大，有源區最外圈越容易發生閂鎖。所以，IGBT產品耐壓規格最高只能夠達到6500V。IGBT電流越大，管芯面積就必須越大。管芯越大，各點的不均勻性越大，越容易發生閂鎖。所以，IGBT的單個管芯面積也不宜做大，只適合用多個管芯并聯做大功率。

（3）IGBT閂鎖對應用的影響

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，需要串聯多個IGBT。由于不可能完全同時開關，總有個別的IGBT瞬間承受過高的電壓雪崩，存在雪崩引發閂鎖的幾率。串聯得越多，引發閂鎖的幾率越大。從經濟合理性考慮，串聯的數量就必定受到一定的限制，即通過串聯IGBT能夠獲取多高的耐壓受到IGBT發生閂鎖的幾率的限制。張北柔直用IGBT只能做到直流500KV，達不到特高壓直流800KV的要求。

1.2.2 IGCT的問題

圖1-2 GCT截面結構示意圖      圖1-3 GCT導通態和阻斷態的等效電路

IGCT主要由主開關器件GCT及其相應的集成門極驅動單元所組成。GCT是由GTO演變而來，引入了緩沖層、陽極透明發射極和逆導結構。其核心器件GCT如圖1-3所示的剖面結構。

IGCT的問題是安全關斷。電流大了關不斷，結溫高了關不斷。ABB的IGCT  最大關斷電流4000A，芯片的直徑91 mm。按照有源區計算，其最大關斷電流密度只有80A/cm2。IGCT 的最高結溫140°C。IGCT不論電流規格，還是結溫規格，都比IGBT低很多。根源是IGCT采用臺面工藝，元包巨大，很難關斷。必須借助強大的外力“硬驅動”，不僅關斷驅動功耗大，達到IGBT的50倍，而且，關斷效果也不佳。