3BHE023784可控硅模块,PLC实现模拟量控制

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下图为不对称IGCT的外形图.

IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO有重要差别的是IGCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在IGCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个pnp晶体管以后再关断，所以它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换（即"GTO区"），所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du/dt。阻断状态下IGCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益pnp晶体管与栅极电源的串联。

一个普通而又平凡的清晨，你在舒适的空调温度下醒来。打开冰箱，取出食物做一顿美美的早餐；解锁充好电的手机，查看最新的资讯；来到公司后打开电脑，开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活，伴你度过充实的一天。与此同时，来自火电、水电、核电以及风电、光伏发电的电能正被源源不断地输送到城市和乡村，供给传统的能源、机械、交通、制造产业，以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。

但是，来自不同源头电能的电压、频率各不相同，它们就像形态、大小各异的食物，其中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工，经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”，最终供拥有不同“口味”的设备使用，满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“大厨”便是功率半导体器件。

功率半导体器件也称电力电子器件，结合不同电路拓扑可以形成各类电力电子装置，实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断革新，从高压输电到城市用电，从工业变频到医疗器械，从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器，再到手机、笔记本等数码产品，功率半导体器件无处不在，与我们的生活密不可分。其中，集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作为功率半导体器件家族中的年轻成员于1997年首次被提出，展现出了巨大的发展潜力，正成为直流电网的“芯”选择。

而相比IGBT，IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力，有望改进IGBT在高压大容量应用中的表现和性能。事实上，相比于交流电网应用，在柔性直流电网中，MMC、直流变压器以及直流断路器等关键设备均具有很多新的特点，例如MMC的开关频率非常低、直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点一定程度上将弱化IGCT开关速度慢等技术弱点，为IGCT在柔性直流电网中的应用带来了巨大的契机。

清华大学电机系和能源互联网研究院直流研究中心科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，围绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技术展开研究，攻克了IGCT直流电网应用的科学和技术难题，并与株洲中车时代电气股份有限公司组成联合研究团队，成功研制出直流电网用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并实现了多项直流电网工程应用。

IGCT器件在直流电网领域大有可为

在突破IGCT器件新技术的同时，研究团队对于IGCT器件在直流电网中的应用前景进行了系统地分析和展望，同步研制了一系列关键设备，并在示范工程及电网试验平台中得到了应用。

当前直流电网中的关键设备（如MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等）相对于交流电网中的电力电子设备具有很多新特性，这为IGCT的应用提供了契机。研究团队结合这些关键设备的内在特性，提出了基于IGCT的创新方案，并系统论证了其可行性以及技术经济优势。分析表明，基于IGCT的新型设备在安全防爆、故障处理、转换效率、功率密度、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的优势，使其在直流电网中的应用具备巨大的潜力。

在2018年12月投运的珠海“互联网+”智慧能源示范工程中，鸡山换流站的10kV/10MW MMC应用了研究团队提出的IGCT交叉钳位方案，这是国产IGCT器件在柔性直流输电换流阀中的首次亮相。现已稳定运行一年多，为IGCT器件特性的研究和改进提供了宝贵的数据和经验。在正在建设中的东莞交直流混合配电网工程中，应用了基于IGCT-Plus研发的±375V固态式直流断路器，实现了国产IGCT-Plus器件在固态式直流断路器中的首次应用。

IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors) ，它是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接而成。也就是门极集成化的GTO（Gate Turn Off）。

IGCT在整流环节中与SCR一脉相承，SCR是Silicon Controlled Rectifier的缩写，是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。
单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件，与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。由于主电极的构造是对称的（都从N层引出），所以它的电极不像单向可控硅那样分别叫阳极和阴极，而是把与控制极相近的叫做第一电极A1，另一个叫做第二电极A2。双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时，硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置，必须采取相应的保护措施。双向可控硅元件主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。可控硅在维持电流以上一直处于开通状态，关断电流高，控制困难，关断速度较慢。逆变环节中，在LCI（负载换相逆变器）中SCR具有优异表现，可做到超大功率，电压高、电流也大。二极管（Diode，不可控整流器件）和SCR（半可控）整流均不需要PMW即可满足两象限变频器工作，PWM需要用IGBT（全控）等器件。

IGCT的门极电路里，包含了大量的IC和电阻电容，尤其是有大量的电解电容，为了提供大的关断电流而设计，使其有一定的寿命限制；而且，这种电容是不可更换的，必须连着整个器件一起更换，造成维护成本增大。如果器件出现故障，对于IGBT构成的系统，一般更换驱动电路或IGBT即可，价格在1500元以内，而且常规电压的IGBT及其驱动电路在内地市场代理商林立，一般都有现货；而对于IGCT构成的系统，必须更换整个IGCT，更换一次一般在20000元以上，其国内代理商只有少数几家，由于占用资金大，一般没有现货，所以一旦出现故障，维修周期长、费用高，而且由于器件复杂，对维修的技术人员要求很高，过了保修期以后往往受制于人。在电路设计上，IGBT只需要很小而比较简单的缓冲电路，有时甚至可以省略缓冲电路；IGCT除了要有电压缓冲电路外，还必须有电流缓冲电路，以抑制关断时的二次击穿，比IGBT复杂。目前的IGBT和IGCT开、关损耗都差不多，构成的变频器，效率也差别不大。要论优势，主要是IGCT的耐压目前比IGBT的耐压高，应用于高压变频器的话使得器件减少。但是目前的风电变流器都是690V的，IGBT的耐压也就足够了。IGCT以前的优点是电流大，方便串联应用，4500V/4000A很平常，现在被IGBT慢慢追上，IGBT有4500V/1200A的，可以并联，不方便串联，IGCT缺点是开关频率不能太高，波形没有IGBT好，损耗大，谐波大，对算法要求更高，价格贵。IGCT在超大电流场合应用较多，例如轧钢环境，3300V，上万kw功率，三电平IGCT变频器（西门子SM150）发挥出最好的控制性能。