随着电力电子技术的发展，大功率器件的种类和应用场景也在不断扩展和多样化，应用场景对功率器件提出高功率、高可靠、高鲁棒的需求，现有主流产品IGBT、IGCT难以满足。

GATH是一种新型IGCT，是以多晶硅发射极和深栅P+区为特点的微细元胞的电流型器件，解决了IGCT的开通集边、关断挤流等主要问题，驱动功耗仅为IGCT的几分之一，不需要外加电抗控制dI/dt，GATH驱动简单，容易实现。与IGBT相比，GATH具有高鲁棒性、高可靠、高功率、低成本的优势。

目  录

1 概述

1.1 项目背景

1.2高压场景功率器件的主要问题

1.2.1 IGBT的问题

1.2.2 IGCT的问题

2 结构

2.1 联栅是什么

2.2 GATH对功率器件的改进

2.2.1 GATH的结构

2.2.2 GATH的工作原理

2.2.3. GATH改进元胞变小解决了什么问题

2.3 逆导型GATH

2.4 联栅的技术来源

2.4.1独创的深栅P+替代栅铝

2.4.2传统联栅晶体管GAT

2.4.3 IGCT和FS IGBT

2.4.4超高速双极型IC

2.5 联栅功率管工艺

2.5.1联栅功率管工艺平台

2.5.2 联栅功率管工艺流程

2.5.3 4500V RCGATH器件的开发

2.5.3.1目标

2.5.3.2内容

2.5.3.3研发内容

2.5.4 6500V GATH设计

2.5.4.1研制目标

2.5.4.2 电参数

2.5.4.3产品研制方案

3 电气特性

3.1抗电流冲击能力

3.2电流密度

3.3 短路耐量

3.4 最高安全关断电流密度

3.5 均流

3.6工作温度

3.7高功率

4 驱动特性

4.1 GATH驱动特性

4.1.1 GATH的关断机理

4.1.2 GATH线路换流

4.1.3 GATH驱动线路

4.1.2 GATH隔离脉冲驱动线路

5 可靠性实验

5.1 50D12 模块参数测试

5.2 通流试验

5.2.1测试条件

5.2.2测试线路

5.2.3测试结果

5.2.4结论

5.3 EMC试验

5.3.1GATH驱动板EMC试验

6.1高压继电器和高压断路器

6.1.1.1在异常工况下，GATH的鲁棒性比IGBT高10倍

6.1.1.2在正常工况下，GATH的长期可靠性比IGBT高10倍

6.1.2发热和均流

6.1.2.1发热

6.1.2.2均流

6.1.3 GATH重要参数

6.1.4 GATH应用注意的关键问题

6.2  GATH在轨道交通中可靠性优于IGBT

6.2.1 IGBT在轨道交通中的问题

6.2.1.1电压

6.2.1.2电流

6.2.1.3温度

6.2.1.4功率循环PC

6.2.1.5短路

6.2.1.6 GATH对IGCT的优势

6.2.1.7 GATH关断电源的要求

6.2.1.8 GAHT芯片的研发步骤（三步走）

6.3 GATH在柔直中的优势

6.3.1 IGBT在柔直中的局限

6.3.2 GATH在柔直中的优势

6.3.2.1 GATH能够做8000V高压产品

6.3.2.2.GATH可以做5000A大电流

6.3.2.3 GATH成本仅为IGBT的一半

6.3.2.4 GATH的鲁棒性比IGBT高十倍

6.3.2.5 GATH的最高工作温度200℃

6.3.2.6 GATH更适于并联获得大电流

6.3.2.7 GATH更适合做逆导型

6.3.2.8 一些重要的性能问题

6.3.2.9结论

7 结论

1 概述

1.1 项目背景

功率半导体，又称电力电子器件或功率电子器件，是电子产业链中最核心的一类器件之一。能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变（直流转交流）和整流（交流转直流）等作用。

高压功率器件主要技术是IGBT和IGCT。

IGBT， (Insulated Gate Bipolar Transistor) 是一种全控型功率半导体器件，具有高耐压、大电流、开关频率高、低饱和电压、高导通电阻小、易于驱动等优点。IGBT主要失效机理：闩锁，由于结构内置NPNP晶闸管，造成过压浪涌闩锁，越是高温、高压、大电流场景下，闩锁显著，可靠性下降。

IGCT（集成门极换流晶闸管） 1997年由ABB公司提出，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、低导通损耗等特点，成品率高，成本低。但是，由于IGCT具有dI/dt和dV/dt限制问题，开关速度慢、驱动功耗大，圆片管芯、应用领域受限等弱点。

1.2高压场景功率器件的主要问题

随着电力电子技术的发展，大功率器件的种类和应用场景也在不断扩展和多样化，应用场景对功率器件提出高功率、高可靠、高鲁棒的需求，现有主流产品IGBT、IGCT难以满足。

1.2.1 IGBT的问题

（1） IGBT失效机理和结构关系

IGBT最常见的失效类型是雪崩击穿。动态雪崩，过电压雪崩，就能够产生雪崩电流。雪崩电流达到某个不大的临界值，功率管就会烧毁。因为栅是绝缘栅，管芯内部的电流不可能通过栅极流动，只能够通过元包内部。元包内部必定包括一个NPN结构，IGBT由于具有P型底层，其元包具有PNPN结构。电流密度超过某个临界值，IGBT超过800A/cm2就发生闩锁。

图1-1 IGBT结构图

（2）闩锁限制了IGBT在高压大电流场景的表现

闩锁是IGBT的主要失效模式，闩锁限制了IGBT芯片做更高的耐压和更大的电流。IGBT是高压器件，关断瞬间，承受高压的终端环下面覆盖区域的电流只能够从有源区内部流出。于是，有源区最外圈的IGBT元包承受的电流比内部元包高1-2个数量级，在邻近终端的有源区最外圈最容易发生闩锁。耐压规格越高，终端越宽，终端区域流出的电流越大，有源区最外圈越容易发生闩锁。所以，IGBT产品耐压规格最高只能够达到6500V。IGBT电流越大，管芯面积就必须越大。管芯越大，各点的不均匀性越大，越容易发生闩锁。所以，IGBT的单个管芯面积也不宜做大，只适合用多个管芯并联做大功率。

（3）IGBT闩锁对应用的影响

IGBT受制于闩锁以及栅穿。越是高压越容易闩锁。所以，IGBT产品最高耐压仅6500V，而且为了安全，张北柔直的IGBT仅用4500V。

为了获得更高的耐压，需要串联多个IGBT。由于不可能完全同时开关，总有个别的IGBT瞬间承受过高的电压雪崩，存在雪崩引发闩锁的几率。串联得越多，引发闩锁的几率越大。从经济合理性考虑，串联的数量就必定受到一定的限制，即通过串联IGBT能够获取多高的耐压受到IGBT发生闩锁的几率的限制。张北柔直用IGBT只能做到直流500KV，达不到特高压直流800KV的要求。

1.2.2 IGCT的问题

图1-2 GCT截面结构示意图      图1-3 GCT导通态和阻断态的等效电路

IGCT主要由主开关器件GCT及其相应的集成门极驱动单元所组成。GCT是由GTO演变而来，引入了缓冲层、阳极透明发射极和逆导结构。其核心器件GCT如图1-3所示的剖面结构。

IGCT的问题是安全关断。电流大了关不断，结温高了关不断。ABB的IGCT  最大关断电流4000A，芯片的直径91 mm。按照有源区计算，其最大关断电流密度只有80A/cm2。IGCT 的最高结温140°C。IGCT不论电流规格，还是结温规格，都比IGBT低很多。根源是IGCT采用台面工艺，元包巨大，很难关断。必须借助强大的外力“硬驱动”，不仅关断驱动功耗大，达到IGBT的50倍，而且，关断效果也不佳。