5shy35L4520可控硅模塊,可靠性和靈活性

5shy35L4520可控硅模塊,可靠性和靈活性

IGCT使變流裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和柵極驅(qū)動電路集成在一起，再與其柵極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點，在導通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低等特點，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。采用晶閘管技術(shù)的GTO是常用的大功率開關(guān)器件，它相對于采用晶體管技術(shù)的IGBT在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應(yīng)用的標準GTO驅(qū)動技術(shù)造成不均勻的開通和關(guān)斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的柵極驅(qū)動單元，因而造成可靠性下降，價格較高，也不利于串聯(lián)。但是，在大功率MCT技術(shù)尚未成熟以前，IGCT已經(jīng)成為高壓大功率低頻交流器的優(yōu)選方案。

下圖為不對稱IGCT的外形圖.

IGCT與GTO相似，也是四層三端器件，GCT內(nèi)部由成千個GCT組成，陽極和門極共用，而陰極并聯(lián)在一起。與GTO有重要差別的是IGCT陽極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽極代替GTO的短路陽極。導通機理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機理與GTO完全不同，在IGCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個pnp晶體管以后再關(guān)斷，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換（即"GTO區(qū)"），所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下IGCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益pnp晶體管與柵極電源的串聯(lián)。

IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號、輸出工作狀態(tài)信號。IGCT將 GTO技術(shù)與現(xiàn)代功率晶體管IGBT的優(yōu)點集于一身，利用大功率關(guān)斷器件可簡單可靠地串聯(lián)這一關(guān)鍵技術(shù)，使得IGCT在中高壓領(lǐng)域以及功率在 0.5MVA～100MVA的大功率應(yīng)用領(lǐng)域尚無真正的對手。

下表是IGBT,GTO和IGCT三種電力器件的性能比較:

IGCT損耗低、開關(guān)快速等這些優(yōu)點保證了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時，逆變器功率可擴展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn)di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于實現(xiàn)短路電流保護和有源保護等。但因存在著導通高損耗、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應(yīng)用。因此IGCT將成為高功率高電壓變頻器的首選功率器件。

回顧IGCT器件的發(fā)展史，要從晶閘管說起。晶閘管自從1957年在美國通用公司誕生以來，經(jīng)過隨后20多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品，早期的大功率變流器幾乎全部采用晶閘管。半個世紀之后，晶閘管憑借其無與倫比的大容量和可靠性、技術(shù)成熟性和價格優(yōu)勢，依舊在大功率變頻調(diào)速、高壓直流輸電（HVDC）、柔性交流輸電（FACTS）等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

到了20世紀70年代后期，晶閘管的一種派生器件——門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）得到了快速發(fā)展。GTO是一種全控型器件，比傳統(tǒng)晶閘管具有更大的靈活性，被廣泛應(yīng)用于軋鋼、軌道交通等需要大容量變頻調(diào)速的場合。但是由于GTO的驅(qū)動電路十分復雜且功耗很大，在關(guān)斷時還需要額外的吸收電路，因此隨著后來出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、IGCT等器件性能不斷提升，GTO逐漸被取代。

而相比IGBT，IGCT具有更低的通態(tài)壓降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且結(jié)構(gòu)緊湊、具有更高的阻斷電壓和通流的能力，有望改進IGBT在高壓大容量應(yīng)用中的表現(xiàn)和性能。事實上，相比于交流電網(wǎng)應(yīng)用，在柔性直流電網(wǎng)中，MMC、直流變壓器以及直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備均具有很多新的特點，例如MMC的開關(guān)頻率非常低、直流變壓器具有軟開關(guān)能力、直流斷路器僅需單次操作等。這些特點一定程度上將弱化IGCT開關(guān)速度慢等技術(shù)弱點，為IGCT在柔性直流電網(wǎng)中的應(yīng)用帶來了巨大的契機。

清華大學電機系和能源互聯(lián)網(wǎng)研究院直流研究中心科研團隊從2015年開始，結(jié)合直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備的特性，圍繞IGCT物理機理模型、參數(shù)優(yōu)化、性能調(diào)控及新型驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，攻克了IGCT直流電網(wǎng)應(yīng)用的科學和技術(shù)難題，并與株洲中車時代電氣股份有限公司組成聯(lián)合研究團隊，成功研制出直流電網(wǎng)用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并實現(xiàn)了多項直流電網(wǎng)工程應(yīng)用。

IGCT的門極電路里，包含了大量的IC和電阻電容，尤其是有大量的電解電容，為了提供大的關(guān)斷電流而設(shè)計，使其有一定的壽命限制；而且，這種電容是不可更換的，必須連著整個器件一起更換，造成維護成本增大。如果器件出現(xiàn)故障，對于IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)，一般更換驅(qū)動電路或IGBT即可，價格在1500元以內(nèi)，而且常規(guī)電壓的IGBT及其驅(qū)動電路在內(nèi)地市場代理商林立，一般都有現(xiàn)貨；而對于IGCT構(gòu)成的系統(tǒng)，必須更換整個IGCT，更換一次一般在20000元以上，其國內(nèi)代理商只有少數(shù)幾家，由于占用資金大，一般沒有現(xiàn)貨，所以一旦出現(xiàn)故障，維修周期長、費用高，而且由于器件復雜，對維修的技術(shù)人員要求很高，過了保修期以后往往受制于人。在電路設(shè)計上，IGBT只需要很小而比較簡單的緩沖電路，有時甚至可以省略緩沖電路；IGCT除了要有電壓緩沖電路外，還必須有電流緩沖電路，以抑制關(guān)斷時的二次擊穿，比IGBT復雜。目前的IGBT和IGCT開、關(guān)損耗都差不多，構(gòu)成的變頻器，效率也差別不大。要論優(yōu)勢，主要是IGCT的耐壓目前比IGBT的耐壓高，應(yīng)用于高壓變頻器的話使得器件減少。但是目前的風電變流器都是690V的，IGBT的耐壓也就足夠了。IGCT以前的優(yōu)點是電流大，方便串聯(lián)應(yīng)用，4500V/4000A很平常，現(xiàn)在被IGBT慢慢追上，IGBT有4500V/1200A的，可以并聯(lián)，不方便串聯(lián)，IGCT缺點是開關(guān)頻率不能太高，波形沒有IGBT好，損耗大，諧波大，對算法要求更高，價格貴。IGCT在超大電流場合應(yīng)用較多，例如軋鋼環(huán)境，3300V，上萬kw功率，三電平IGCT變頻器（西門子SM150）發(fā)揮出最好的控制性能。