5SHY3545L0016可控硅模塊,PLC技術(shù)的日益發(fā)展

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.

IGCT觸發(fā)功率小，可以把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個(gè)整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號(hào)、輸出工作狀態(tài)信號(hào)。IGCT將 GTO技術(shù)與現(xiàn)代功率晶體管IGBT的優(yōu)點(diǎn)集于一身，利用大功率關(guān)斷器件可簡單可靠地串聯(lián)這一關(guān)鍵技術(shù)，使得IGCT在中高壓領(lǐng)域以及功率在 0.5MVA～100MVA的大功率應(yīng)用領(lǐng)域尚無真正的對手。

下表是IGBT,GTO和IGCT三種電力器件的性能比較:

IGCT損耗低、開關(guān)快速等這些優(yōu)點(diǎn)保證了它能可靠、高效率地用于300 kVA～10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。在串聯(lián)時(shí)，逆變器功率可擴(kuò)展到100MVA。雖然高功率的IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實(shí)現(xiàn)di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等。但因存在著導(dǎo)通高損耗、損壞后造成開路以及無長期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，限制了高功率IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用。因此IGCT將成為高功率高電壓變頻器的首選功率器件。

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公司針對中壓傳動(dòng)領(lǐng)域的ACS系列變頻器以及針對風(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。

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器件在直流電網(wǎng)領(lǐng)域大有可為

在突破IGCT器件新技術(shù)的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)對于IGCT器件在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和展望，同步研制了一系列關(guān)鍵設(shè)備，并在示范工程及電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)中得到了應(yīng)用。

當(dāng)前直流電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)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(wǎng)中的電力電子設(shè)備具有很多新特性，這為IGCT的應(yīng)用提供了契機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合這些關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)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(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。分析表明，基于IGCT的新型設(shè)備在安全防爆、故障處理、轉(zhuǎn)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(wǎng)中的應(yīng)用具備巨大的潛力。

在2018年12月投運(yùn)的珠?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源示范工程中，雞山換流站的10kV/10MW MMC應(yīng)用了研究團(tuán)隊(duì)提出的IGCT交叉鉗位方案，這是國產(chǎn)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(yùn)行一年多，為IGCT器件特性的研究和改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。在正在建設(shè)中的東莞交直流混合配電網(wǎng)工程中，應(yīng)用了基于IGCT-Plus研發(fā)的±375V固態(tài)式直流斷路器，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)IGCT-Plus器件在固態(tài)式直流斷路器中的首次應(yīng)用。

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、相對于IGBT而言，IGCT投放市場的時(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，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，誰是電力電子器件的發(fā)展方向？目前學(xué)術(shù)界正在爭論，雖然IGCT出現(xiàn)晚，但至少在目前，還看不出它相對IGBT有什么優(yōu)勢。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所對應(yīng)的是IEGT， IEGT也稱為壓裝式IGBT （PPI)。