可控硅模塊,抗干擾能力強(qiáng)

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(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.

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(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，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個(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)。

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(diǎn)，在工業(yè)變頻調(diào)速、風(fēng)電并網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。ABB公司針對(duì)中壓傳動(dòng)領(lǐng)域的ACS系列變頻器以及針對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的PCS系列換流器均采用IGCT作為開關(guān)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(jī)；我國株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司）生產(chǎn)的IGCT器件也被大量應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)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(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、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。

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，其國內(nèi)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(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。