5shy35L4520可控硅模块,可靠性和灵活性

5shy35L4520可控硅模块,可靠性和灵活性

IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，再与其栅极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的栅极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。

下图为不对称IGCT的外形图.

IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO有重要差别的是IGCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在IGCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个pnp晶体管以后再关断，所以它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换（即"GTO区"），所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du/dt。阻断状态下IGCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益pnp晶体管与栅极电源的串联。

IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号、输出工作状态信号。IGCT将 GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身，利用大功率关断器件可简单可靠地串联这一关键技术，使得IGCT在中高压领域以及功率在 0.5MVA～100MVA的大功率应用领域尚无真正的对手。

下表是IGBT,GTO和IGCT三种电力器件的性能比较:

IGCT损耗低、开关快速等这些优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100MVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在着导通高损耗、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此IGCT将成为高功率高电压变频器的首选功率器件。

回顾IGCT器件的发展史，要从晶闸管说起。晶闸管自从1957年在美国通用公司诞生以来，经过随后20多年的发展，已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品，早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。半个世纪之后，晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。

到了20世纪70年代后期，晶闸管的一种派生器件——门极可关断晶闸管（GTO）得到了快速发展。GTO是一种全控型器件，比传统晶闸管具有更大的灵活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。但是由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、IGCT等器件性能不断提升，GTO逐渐被取代。

而相比IGBT，IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力，有望改进IGBT在高压大容量应用中的表现和性能。事实上，相比于交流电网应用，在柔性直流电网中，MMC、直流变压器以及直流断路器等关键设备均具有很多新的特点，例如MMC的开关频率非常低、直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点一定程度上将弱化IGCT开关速度慢等技术弱点，为IGCT在柔性直流电网中的应用带来了巨大的契机。

清华大学电机系和能源互联网研究院直流研究中心科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，围绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技术展开研究，攻克了IGCT直流电网应用的科学和技术难题，并与株洲中车时代电气股份有限公司组成联合研究团队，成功研制出直流电网用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并实现了多项直流电网工程应用。

IGCT的门极电路里，包含了大量的IC和电阻电容，尤其是有大量的电解电容，为了提供大的关断电流而设计，使其有一定的寿命限制；而且，这种电容是不可更换的，必须连着整个器件一起更换，造成维护成本增大。如果器件出现故障，对于IGBT构成的系统，一般更换驱动电路或IGBT即可，价格在1500元以内，而且常规电压的IGBT及其驱动电路在内地市场代理商林立，一般都有现货；而对于IGCT构成的系统，必须更换整个IGCT，更换一次一般在20000元以上，其国内代理商只有少数几家，由于占用资金大，一般没有现货，所以一旦出现故障，维修周期长、费用高，而且由于器件复杂，对维修的技术人员要求很高，过了保修期以后往往受制于人。在电路设计上，IGBT只需要很小而比较简单的缓冲电路，有时甚至可以省略缓冲电路；IGCT除了要有电压缓冲电路外，还必须有电流缓冲电路，以抑制关断时的二次击穿，比IGBT复杂。目前的IGBT和IGCT开、关损耗都差不多，构成的变频器，效率也差别不大。要论优势，主要是IGCT的耐压目前比IGBT的耐压高，应用于高压变频器的话使得器件减少。但是目前的风电变流器都是690V的，IGBT的耐压也就足够了。IGCT以前的优点是电流大，方便串联应用，4500V/4000A很平常，现在被IGBT慢慢追上，IGBT有4500V/1200A的，可以并联，不方便串联，IGCT缺点是开关频率不能太高，波形没有IGBT好，损耗大，谐波大，对算法要求更高，价格贵。IGCT在超大电流场合应用较多，例如轧钢环境，3300V，上万kw功率，三电平IGCT变频器（西门子SM150）发挥出最好的控制性能。