5shy3545L0016可控硅模塊,PLC應(yīng)用微電子技術(shù)

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，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；我國株洲中車時代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車時代半導(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。

近年來，在新能源輸送和大規(guī)模儲能的驅(qū)動下，直流電網(wǎng)在世界各國的發(fā)展勢不可擋。高壓大容量功率半導(dǎo)體器件作為MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等直流主干網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵裝備的核心元件，是學(xué)術(shù)研究的前沿話題，也是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)注熱點。IGBT具有驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度快、耐壓高、電流大等優(yōu)點，在柔性直流電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而事實上，盡管IGBT優(yōu)勢突出，但是相比電流型器件，仍然存在通態(tài)壓降大、可靠性低、制造成本高等問題，具有很多改進的空間。尤其是在高壓大容量應(yīng)用中，所使用的開關(guān)器件數(shù)量非常大，若能改進這些特性，進一步提高效率和可靠性、減小成本，將會具有很大的吸引力和應(yīng)用前景。

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IGBT在高壓大容量應(yīng)用中的表現(xiàn)和性能。事實上，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，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。這些特點一定程度上將弱化IGCT開關(guān)速度慢等技術(shù)弱點，為IGCT在柔性直流電網(wǎng)中的應(yīng)用帶來了巨大的契機。

清華大學(xué)電機系和能源互聯(lián)網(wǎng)研究院直流研究中心科研團隊從2015年開始，結(jié)合直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備的特性，圍繞IGCT物理機理模型、參數(shù)優(yōu)化、性能調(diào)控及新型驅(qū)動等關(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(wǎng)用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并實現(xiàn)了多項直流電網(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，研究團隊對于IGCT器件在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進行了系統(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)試驗平臺中得到了應(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。研究團隊結(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)用了研究團隊提出的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(jù)和經(jīng)驗。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。

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，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(gòu)成的系統(tǒng)，一般更換驅(qū)動電路或IGBT即可，價格在1500元以內(nèi)，而且常規(guī)電壓的IGBT及其驅(qū)動電路在內(nèi)地市場代理商林立，一般都有現(xiàn)貨；而對于IGCT構(gòu)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(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、費用高，而且由于器件復(fù)雜，對維修的技術(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(guān)斷時的二次擊穿，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，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缺點是開關(guān)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(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。

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，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)。