5SHY5055L0002可控硅模塊,DCS工業(yè)領(lǐng)域

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集成柵極換流晶閘管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是1996年問(wèn)世的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件。IGCT是一種基于GTO結(jié)構(gòu)、利用集成柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行柵極硬驅(qū)動(dòng)、采用緩沖層結(jié)構(gòu)及陽(yáng)極透明發(fā)射極技術(shù)的新型大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有晶閘管的通態(tài)特性及晶體管的開關(guān)特性。由于采用了緩沖結(jié)構(gòu)以及淺層發(fā)射極技術(shù)，因而使動(dòng)態(tài)損耗降低了約50％，另外，此類器件還在一個(gè)芯片上集成了具有良好動(dòng)態(tài)特性的續(xù)流二極管，從而以其獨(dú)特的方式實(shí)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(guān)特性有機(jī)結(jié)合.

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(jìn)展，給電力電子成套裝置帶來(lái)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(dòng)電路集成在一起，再與其柵極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，在導(dǎo)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(diǎn)，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(duì)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(biāo)準(zhǔn)GTO驅(qū)動(dòng)技術(shù)造成不均勻的開通和關(guān)斷過(guò)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(dòng)單元，因而造成可靠性下降，價(jià)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。

回顧IGCT器件的發(fā)展史，要從晶閘管說(shuō)起。晶閘管自從1957年在美國(guó)通用公司誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(gè)世紀(jì)之后，晶閘管憑借其無(wú)與倫比的大容量和可靠性、技術(shù)成熟性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，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(jì)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(chǎng)合。但是由于GTO的驅(qū)動(dòng)電路十分復(fù)雜且功耗很大，在關(guān)斷時(shí)還需要額外的吸收電路，因此隨著后來(lái)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(lái)，在新能源輸送和大規(guī)模儲(chǔ)能的驅(qū)動(dòng)下，直流電網(wǎng)在世界各國(guó)的發(fā)展勢(shì)不可擋。高壓大容量功率半導(dǎo)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(luò)關(guān)鍵裝備的核心元件，是學(xué)術(shù)研究的前沿話題，也是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)注熱點(diǎn)。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，在柔性直流電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而事實(shí)上，盡管IGBT優(yōu)勢(shì)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(wèn)題，具有很多改進(jìn)的空間。尤其是在高壓大容量應(yīng)用中，所使用的開關(guān)器件數(shù)量非常大，若能改進(jìn)這些特性，進(jìn)一步提高效率和可靠性、減小成本，將會(huì)具有很大的吸引力和應(yīng)用前景。

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(jì)，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(gè)器件一起更換，造成維護(hù)成本增大。如果器件出現(xiàn)故障，對(duì)于IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)，一般更換驅(qū)動(dòng)電路或IGBT即可，價(jià)格在1500元以內(nèi)，而且常規(guī)電壓的IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)地市場(chǎng)代理商林立，一般都有現(xiàn)貨；而對(duì)于IGCT構(gòu)成的系統(tǒng)，必須更換整個(gè)IGCT，更換一次一般在20000元以上，其國(guó)內(nèi)代理商只有少數(shù)幾家，由于占用資金大，一般沒(méi)有現(xiàn)貨，所以一旦出現(xiàn)故障，維修周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且由于器件復(fù)雜，對(duì)維修的技術(shù)人員要求很高，過(guò)了保修期以后往往受制于人。在電路設(shè)計(jì)上，IGBT只需要很小而比較簡(jiǎn)單的緩沖電路，有時(shí)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(shí)的二次擊穿，比IGBT復(fù)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(shì)，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(fēng)電變流器都是690V的，IGBT的耐壓也就足夠了。IGCT以前的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是開關(guān)頻率不能太高，波形沒(méi)有IGBT好，損耗大，諧波大，對(duì)算法要求更高，價(jià)格貴。IGCT在超大電流場(chǎng)合應(yīng)用較多，例如軋鋼環(huán)境，3300V，上萬(wàn)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。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐壓達(dá)4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過(guò)采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。 IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外，通過(guò)模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。 日本東芝開發(fā)的IECT利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)”，使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達(dá)到4.5KV/1500A的水平。