5shy35L4520可控硅模塊,可靠性和靈活性

價格面議2023-02-10 18:39:14
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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。

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