可控硅模块IGBT

IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和栅极驱动电路集成在一起，再与其栅极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的栅极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。但是，在大功率MCT技术尚未成熟以前，IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。

回顾IGCT器件的发展史，要从晶闸管说起。晶闸管自从1957年在美国通用公司诞生以来，经过随后20多年的发展，已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品，早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。半个世纪之后，晶闸管凭借其的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。

到了20世纪70年代后期，晶闸管的一种派生器件——门极可关断晶闸管（GTO）得到了快速发展。GTO是一种全控型器件，比传统晶闸管具有更大的灵活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。但是由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、IGCT等器件性能不断提升，GTO逐渐被取代。

自从IGCT诞生以来，由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高等优点，在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛应用。ABB公司针对中压传动领域的ACS系列变频器以及针对风力发电领域的PCS系列换流器均采用IGCT作为开关器件，并于2017年研制成功了用于轨道交通供电的交交型模块化多电平变换器（MMC）样机；我国株洲中车时代电气股份有限公司（现为株洲中车时代半导体有限公司）生产的IGCT器件也被大量应用于轨道交通领域。

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，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的优势，使其在直流电网中的应用具备的潜力。

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、、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，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。

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