5SXE10-0181可控硅模塊,廣泛應(yīng)用

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(nèi)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(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)通機理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機理與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)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(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的等效電路可認為是一個基極開路、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，在工業(yè)變頻調(diào)速、風電并網(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。

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月投運的珠海“互聯(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?，F(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)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)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?？煽毓栌袉蜗颉㈦p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，被廣泛用于可控整流、調(diào)壓、逆變以及無觸點開關(guān)等各種自動控制和大功率的電能轉(zhuǎn)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(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，但一旦導(dǎo)通，外部信號就無法使其關(guān)斷，只能靠去除負載或降低其兩端電壓使其關(guān)斷。單向可控硅是由三個PN結(jié)PNPN組成的四層三端半導(dǎo)體器件，與具有一個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PN結(jié)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(dǎo)通、關(guān)斷的特性。雙向可控硅實質(zhì)上是兩個反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導(dǎo)體形成四個PN結(jié)構(gòu)成、有三個電極的半導(dǎo)體器件。由于主電極的構(gòu)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?qū)ńY(jié)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(yīng)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(guān)以及直流電機調(diào)速和換向等電路。可控硅在維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。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐壓達4KV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。 IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅(qū)動智能化等特點，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。 日本東芝開發(fā)的IECT利用了“電子注入增強效應(yīng)”，使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動功率(比GTO低兩個數(shù)量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達到4.5KV/1500A的水平。