5SHY6545L0001可控硅模塊,PLC技術的發(fā)展

5SHY6545L0001可控硅模塊,PLC技術的發(fā)展

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(zhuǎn)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(jīng)過一個既非導通又非關斷的中間不穩(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)。

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）等領域中廣泛應用。

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。

近年來，在新能源輸送和大規(guī)模儲能的驅(qū)動下，直流電網(wǎng)在世界各國的發(fā)展勢不可擋。高壓大容量功率半導體器件作為MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等直流主干網(wǎng)絡關鍵裝備的核心元件，是學術研究的前沿話題，也是產(chǎn)業(yè)應用的關注熱點。IGBT具有驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單、開關速度快、耐壓高、電流大等優(yōu)點，在柔性直流電網(wǎng)中得到了廣泛的應用。而事實上，盡管IGBT優(yōu)勢突出，但是相比電流型器件，仍然存在通態(tài)壓降大、可靠性低、制造成本高等問題，具有很多改進的空間。尤其是在高壓大容量應用中，所使用的開關器件數(shù)量非常大，若能改進這些特性，進一步提高效率和可靠性、減小成本，將會具有很大的吸引力和應用前景。

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，并且結構緊湊、具有更高的阻斷電壓和通流的能力，有望改進IGBT在高壓大容量應用中的表現(xiàn)和性能。事實上，相比于交流電網(wǎng)應用，在柔性直流電網(wǎng)中，MMC、直流變壓器以及直流斷路器等關鍵設備均具有很多新的特點，例如MMC的開關頻率非常低、直流變壓器具有軟開關能力、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開關速度慢等技術弱點，為IGCT在柔性直流電網(wǎng)中的應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，結合直流電網(wǎng)關鍵裝備的特性，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)動等關鍵技術展開研究，攻克了IGCT直流電網(wǎng)應用的科學和技術難題，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)工程應用。

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(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)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。可控硅有單向、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(diào)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(zhuǎn)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?qū)ㄊ芸刂茦O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(zhì)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?qū)ńY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(diào)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(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)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(qū)動裝置（5MW）IGCT在中壓變頻器領域內(nèi)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(qū)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(qū)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(chǎn)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。