3BHE023784可控硅模塊,PLC實現(xiàn)模擬量控制

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陽極內側多了緩沖層，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必須經過一個既非導通又非關斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉換（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)。

一個普通而又平凡的清晨，你在舒適的空調溫度下醒來。打開冰箱，取出食物做一頓美美的早餐；解鎖充好電的手機，查看最新的資訊；來到公司后打開電腦，開啟一天的工作。電力悄無聲息地融入你的生活，伴你度過充實的一天。與此同時，來自火電、水電、核電以及風電、光伏發(fā)電的電能正被源源不斷地輸送到城市和鄉(xiāng)村，供給傳統(tǒng)的能源、機械、交通、制造產業(yè)，以及新興的通信、航天、醫(yī)療、材料等高技術產業(yè)使用。

但是，來自不同源頭電能的電壓、頻率各不相同，它們就像形態(tài)、大小各異的食物，其中高達75%以上的部分都必須由“廚師”進行修整和加工，經過“烹飪”之后才能由“粗電”變成“精電”，最終供擁有不同“口味”的設備使用，滿足復雜的用電需求。這位能夠實現(xiàn)電能變換和控制的核心“大廚”便是功率半導體器件。

功率半導體器件也稱電力電子器件，結合不同電路拓撲可以形成各類電力電子裝置，實現(xiàn)整流、逆變、變頻、調壓等功能。隨著功率半導體技術的不斷革新，從高壓輸電到城市用電，從工業(yè)變頻到醫(yī)療器械，從電動汽車的電機驅動到空調、冰箱等家用電器，再到手機、筆記本等數(shù)碼產品，功率半導體器件無處不在，與我們的生活密不可分。其中，集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作為功率半導體器件家族中的年輕成員于1997年首次被提出，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?，正成為直流電網的“芯”選擇。

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，相比于交流電網應用，在柔性直流電網中，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)網研究院直流研究中心科研團隊從2015年開始，結合直流電網關鍵裝備的特性，圍繞IGCT物理機理模型、參數(shù)優(yōu)化、性能調控及新型驅動等關鍵技術展開研究，攻克了IGCT直流電網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用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并實現(xiàn)了多項直流電網工程應用。

IGCT器件在直流電網領域大有可為

在突破IGCT器件新技術的同時，研究團隊對于IGCT器件在直流電網中的應用前景進行了系統(tǒng)地分析和展望，同步研制了一系列關鍵設備，并在示范工程及電網試驗平臺中得到了應用。

當前直流電網中的關鍵設備（如MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等）相對于交流電網中的電力電子設備具有很多新特性，這為IGCT的應用提供了契機。研究團隊結合這些關鍵設備的內在特性，提出了基于IGCT的創(chuàng)新方案，并系統(tǒng)論證了其可行性以及技術經濟優(yōu)勢。分析表明，基于IGCT的新型設備在安全防爆、故障處理、轉換效率、功率密度、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的優(yōu)勢，使其在直流電網中的應用具備巨大的潛力。

在2018年12月投運的珠?！盎ヂ?lián)網+”智慧能源示范工程中，雞山換流站的10kV/10MW MMC應用了研究團隊提出的IGCT交叉鉗位方案，這是國產IGCT器件在柔性直流輸電換流閥中的首次亮相。現(xiàn)已穩(wěn)定運行一年多，為IGCT器件特性的研究和改進提供了寶貴的數(shù)據和經驗。在正在建設中的東莞交直流混合配電網工程中，應用了基于IGCT-Plus研發(fā)的±375V固態(tài)式直流斷路器，實現(xiàn)了國產IGCT-Plus器件在固態(tài)式直流斷路器中的首次應用。

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)二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅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?？煽毓栌袉蜗?、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，單向可控硅正向導通受控制極電流控制；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導通結束時，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，為了提供大的關斷電流而設計，使其有一定的壽命限制；而且，這種電容是不可更換的，必須連著整個器件一起更換，造成維護成本增大。如果器件出現(xiàn)故障，對于IGBT構成的系統(tǒng)，一般更換驅動電路或IGBT即可，價格在1500元以內，而且常規(guī)電壓的IGBT及其驅動電路在內地市場代理商林立，一般都有現(xiàn)貨；而對于IGCT構成的系統(tǒng)，必須更換整個IGCT，更換一次一般在20000元以上，其國內代理商只有少數(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、費用高，而且由于器件復雜，對維修的技術人員要求很高，過了保修期以后往往受制于人。在電路設計上，IGBT只需要很小而比較簡單的緩沖電路，有時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，以抑制關斷時的二次擊穿，比IGBT復雜。目前的IGBT和IGCT開、關損耗都差不多，構成的變頻器，效率也差別不大。要論優(yōu)勢，主要是IGCT的耐壓目前比IGBT的耐壓高，應用于高壓變頻器的話使得器件減少。但是目前的風電變流器都是690V的，IGBT的耐壓也就足夠了。IGCT以前的優(yōu)點是電流大，方便串聯(lián)應用，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缺點是開關頻率不能太高，波形沒有IGBT好，損耗大，諧波大，對算法要求更高，價格貴。IGCT在超大電流場合應用較多，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。