5shy3545L0016可控硅模塊,工業(yè)的基礎(chǔ)

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。

自從IGCT誕生以來(lái)，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(guó)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(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。

1、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。
2、相對(duì)于IGBT而言，IGCT投放市場(chǎng)的時(shí)間較晚，應(yīng)用也沒有IGBT廣，技術(shù)成熟度不如IGBT。 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。 IGBT和IGCT，誰(shuí)是電力電子器件的發(fā)展方向？目前學(xué)術(shù)界正在爭(zhēng)論，雖然IGCT出現(xiàn)晚，但至少在目前，還看不出它相對(duì)IGBT有什么優(yōu)勢(shì)。但也有可能隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者并駕齊驅(qū)，或者都被某種新的器件代替。

與IGCT所對(duì)應(yīng)的是IEGT， IEGT也稱為壓裝式IGBT （PPI)。