可控硅模塊,抗干擾能力強

可控硅模塊,抗干擾能力強

集成柵極換流晶閘管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是1996年問世的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。IGCT是一種基于GTO結構、利用集成柵極結構進行柵極硬驅動、采用緩沖層結構及陽極透明發(fā)射極技術的新型大功率半導體開關器件，具有晶閘管的通態(tài)特性及晶體管的開關特性。由于采用了緩沖結構以及淺層發(fā)射極技術，因而使動態(tài)損耗降低了約50％，另外，此類器件還在一個芯片上集成了具有良好動態(tài)特性的續(xù)流二極管，從而以其獨特的方式實現(xiàn)了晶閘管的低通態(tài)壓降、高阻斷電壓和晶體管穩(wěn)定的開關特性有機結合.

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陽極內側多了緩沖層，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，但關斷機理與GTO完全不同，在IGCT的關斷過程中，GCT能瞬間從導通轉到阻斷狀態(tài)，變成一個pnp晶體管以后再關斷，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經過一個既非導通又非關斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉換（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)。

自從IGCT誕生以來，由于其具有阻斷電壓高、容量大、通態(tài)損耗低、可靠性高等優(yōu)點，在工業(yè)變頻調速、風電并網(wǎng)、軌道交通等領域廣泛應用。ABB公司針對中壓傳動領域的ACS系列變頻器以及針對風力發(fā)電領域的PCS系列換流器均采用IGCT作為開關器件，并于2017年研制成功了用于軌道交通供電的交交型模塊化多電平變換器（MMC）樣機；我國株洲中車時代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車時代半導體有限公司）生產的IGCT器件也被大量應用于軌道交通領域。

IGCT集成門極換流晶閘管(Intergrated?Gate?Commutated?Thyristors)?，它是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接而成。也就是門極集成化的GTO（Gate Turn Off）。

IGCT在整流環(huán)節(jié)中與SCR一脈相承，SCR是Silicon Controlled Rectifier的縮寫，是可控硅整流器的簡稱?？煽毓栌袉蜗?、雙向、可關斷和光控幾種類型。它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、控制方便等優(yōu)點，被廣泛用于可控整流、調壓、逆變以及無觸點開關等各種自動控制和大功率的電能轉換的場合。
單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號作用下由關斷變?yōu)閷?，但一旦導通，外部信號就無法使其關斷，只能靠去除負載或降低其兩端電壓使其關斷。單向可控硅是由三個PN結PNPN組成的四層三端半導體器件，與具有一個PN結的二極管相比，單向可控硅正向導通受控制極電流控制；與具有兩個PN結的三極管相比，差別在于可控硅對控制極電流沒有放大作用。雙向可控硅具有兩個方向輪流導通、關斷的特性。雙向可控硅實質上是兩個反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導體形成四個PN結構成、有三個電極的半導體器件。由于主電極的構造是對稱的（都從N層引出），所以它的電極不像單向可控硅那樣分別叫陽極和陰極，而是把與控制極相近的叫做第一電極A1，另一個叫做第二電極A2。雙向可控硅的主要缺點是承受電壓上升率的能力較低。這是因為雙向可控硅在一個方向導通結束時，硅片在各層中的載流子還沒有回到截止狀態(tài)的位置，必須采取相應的保護措施。雙向可控硅元件主要用于交流控制電路，如溫度控制、燈光控制、防爆交流開關以及直流電機調速和換向等電路?？煽毓柙诰S持電流以上一直處于開通狀態(tài)，關斷電流高，控制困難，關斷速度較慢。逆變環(huán)節(jié)中，在LCI（負載換相逆變器）中SCR具有優(yōu)異表現(xiàn)，可做到超大功率，電壓高、電流也大。二極管（Diode，不可控整流器件）和SCR（半可控）整流均不需要PMW即可滿足兩象限變頻器工作，PWM需要用IGBT（全控）等器件。

IGCT集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一種中壓變頻器開發(fā)的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體開關器件(集成門極換流晶閘管=門極換流晶閘管+門極單元)。1997年由ABB公司提出。IGCT使變流裝置在功率、可靠性、開關速度、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)二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩(wěn)定關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，關斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、低導通損耗等特點，而且造成本低，成品率高，有很好的應用前景。 已用于電力系統(tǒng)電網(wǎng)裝置（100MVA）和的中功率工業(yè)驅動裝置（5MW）IGCT在中壓變頻器領域內成功的應用了11年的時間（到09年為止），由于IGCT的高速開關能力無需緩沖電路，因而所需的功率元件數(shù)目更少，運行的可靠性大大增高。 　　

絕緣柵雙極晶體管（Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，簡稱IGBT），是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件,?兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。驅動功率小而飽和壓降低。二極管加在集電極和發(fā)射極之間，主要用于續(xù)流，同時由于負載存在感性，IGBT關斷瞬間會在IGBT兩端產生極高的自感反相電壓，此電壓可能擊穿IGBT。并聯(lián)的二極管將這個“自感反相電壓”短路掉了，起到保護IGBT的作用。

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，為了提供大的關斷電流而設計，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構成的系統(tǒng)，一般更換驅動電路或IGBT即可，價格在1500元以內，而且常規(guī)電壓的IGBT及其驅動電路在內地市場代理商林立，一般都有現(xiàn)貨；而對于IGCT構成的系統(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，對維修的技術人員要求很高，過了保修期以后往往受制于人。在電路設計上，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，以抑制關斷時的二次擊穿，比IGBT復雜。目前的IGBT和IGCT開、關損耗都差不多，構成的變頻器，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。