5shy3545L0001可控硅模塊,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)

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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(yáng)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。

下圖為不對(duì)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(gè)GCT組成，陽(yáng)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(yáng)極內(nèi)側(cè)多了緩沖層，以透明（可穿透）陽(yáng)極代替GTO的短路陽(yáng)極。導(dǎo)通機(jī)理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機(jī)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(gè)pnp晶體管以后再關(guān)斷，所以它無(wú)外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個(gè)既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)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(rèn)為是一個(gè)基極開路、低增益pnp晶體管與柵極電源的串聯(lián)。

回顧IGCT器件的發(fā)展史，要從晶閘管說起。晶閘管自從1957年在美國(guó)通用公司誕生以來，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。

近年來，在新能源輸送和大規(guī)模儲(chǔ)能的驅(qū)動(dòng)下，直流電網(wǎng)在世界各國(guó)的發(fā)展勢(shì)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(diǎn)。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，在柔性直流電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而事實(shí)上，盡管IGBT優(yōu)勢(shì)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(jìn)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(jìn)這些特性，進(jìn)一步提高效率和可靠性、減小成本，將會(huì)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(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。