5SHY6545L0001可控硅模塊,PLC技術(shù)的發(fā)展

5SHY6545L0001可控硅模塊,PLC技術(shù)的發(fā)展

下圖為不對(duì)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(gè)GCT組成，陽(yáng)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(yáng)極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽(yáng)極代替GTO的短路陽(yáng)極。導(dǎo)通機(jī)理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機(jī)理與GTO完全不同，在IGCT的關(guān)斷過(guò)程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個(gè)pnp晶體管以后再關(guān)斷，所以它無(wú)外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過(guò)一個(gè)既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換（即"GTO區(qū)"），所以GTO需要很大的吸收電路來(lái)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(rèn)為是一個(gè)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(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。

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(jìn)IGBT在高壓大容量應(yīng)用中的表現(xiàn)和性能。事實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)一定程度上將弱化IGCT開關(guān)速度慢等技術(shù)弱點(diǎn)，為IGCT在柔性直流電網(wǎng)中的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的契機(jī)。

清華大學(xué)電機(jī)系和能源互聯(lián)網(wǎng)研究院直流研究中心科研團(tuán)隊(duì)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(jī)理模型、參數(shù)優(yōu)化、性能調(diào)控及新型驅(qū)動(dòng)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(xué)和技術(shù)難題，并與株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出直流電網(wǎng)用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)直流電網(wǎng)工程應(yīng)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(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)稱?？煽毓栌袉蜗?、雙向、可關(guān)斷和光控幾種類型。它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于可控整流、調(diào)壓、逆變以及無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等各種自動(dòng)控制和大功率的電能轉(zhuǎn)換的場(chǎng)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(hào)作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，但一旦導(dǎo)通，外部信號(hào)就無(wú)法使其關(guān)斷，只能靠去除負(fù)載或降低其兩端電壓使其關(guān)斷。單向可控硅是由三個(gè)PN結(jié)PNPN組成的四層三端半導(dǎo)體器件，與具有一個(gè)PN結(jié)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(gè)PN結(jié)的三極管相比，差別在于可控硅對(duì)控制極電流沒(méi)有放大作用。雙向可控硅具有兩個(gè)方向輪流導(dǎo)通、關(guān)斷的特性。雙向可控硅實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導(dǎo)體形成四個(gè)PN結(jié)構(gòu)成、有三個(gè)電極的半導(dǎo)體器件。由于主電極的構(gòu)造是對(duì)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(yáng)極和陰極，而是把與控制極相近的叫做第一電極A1，另一個(gè)叫做第二電極A2。雙向可控硅的主要缺點(diǎn)是承受電壓上升率的能力較低。這是因?yàn)殡p向可控硅在一個(gè)方向?qū)ńY(jié)束時(shí)，硅片在各層中的載流子還沒(méi)有回到截止?fàn)顟B(tài)的位置，必須采取相應(yīng)的保護(hù)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(guān)以及直流電機(jī)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(guān)斷電流高，控制困難，關(guān)斷速度較慢。逆變環(huán)節(jié)中，在LCI（負(fù)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(dǎo)體開關(guān)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(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)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(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、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗等特點(diǎn)，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)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(dòng)裝置（5MW）IGCT在中壓變頻器領(lǐng)域內(nèi)成功的應(yīng)用了11年的時(shí)間（到09年為止），由于IGCT的高速開關(guān)能力無(wú)需緩沖電路，因而所需的功率元件數(shù)目更少，運(yùn)行的可靠性大大增高。 　　

絕緣柵雙極晶體管（Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT），是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件,?兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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(shí)由于負(fù)載存在感性，IGBT關(guān)斷瞬間會(huì)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(gè)“自感反相電壓”短路掉了，起到保護(hù)IGBT的作用。