3BHE023784可控硅模塊,dcs的應(yīng)用領(lǐng)域和競(jìng)爭(zhēng)力

3BHE023784可控硅模塊,dcs的應(yīng)用領(lǐng)域和競(jìng)爭(zhēng)力

一個(gè)普通而又平凡的清晨，你在舒適的空調(diào)溫度下醒來。打開冰箱，取出食物做一頓美美的早餐；解鎖充好電的手機(jī)，查看最新的資訊；來到公司后打開電腦，開啟一天的工作。電力悄無聲息地融入你的生活，伴你度過充實(shí)的一天。與此同時(shí)，來自火電、水電、核電以及風(fēng)電、光伏發(fā)電的電能正被源源不斷地輸送到城市和鄉(xiāng)村，供給傳統(tǒng)的能源、機(jī)械、交通、制造產(chǎn)業(yè)，以及新興的通信、航天、醫(yī)療、材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)使用。

但是，來自不同源頭電能的電壓、頻率各不相同，它們就像形態(tài)、大小各異的食物，其中高達(dá)75%以上的部分都必須由“廚師”進(jìn)行修整和加工，經(jīng)過“烹飪”之后才能由“粗電”變成“精電”，最終供擁有不同“口味”的設(shè)備使用，滿足復(fù)雜的用電需求。這位能夠?qū)崿F(xiàn)電能變換和控制的核心“大廚”便是功率半導(dǎo)體器件。

功率半導(dǎo)體器件也稱電力電子器件，結(jié)合不同電路拓?fù)淇梢孕纬筛黝愲娏﹄娮友b置，實(shí)現(xiàn)整流、逆變、變頻、調(diào)壓等功能。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷革新，從高壓輸電到城市用電，從工業(yè)變頻到醫(yī)療器械，從電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)到空調(diào)、冰箱等家用電器，再到手機(jī)、筆記本等數(shù)碼產(chǎn)品，功率半導(dǎo)體器件無處不在，與我們的生活密不可分。其中，集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作為功率半導(dǎo)體器件家族中的年輕成員于1997年首次被提出，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?，正成為直流電網(wǎng)的“芯”選擇。

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。

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(diǎn)，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(duì)中壓傳動(dòng)領(lǐng)域的ACS系列變頻器以及針對(duì)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(jī)；我國(guó)株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車時(shí)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。

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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于IGCT器件在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)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(yàn)平臺(tái)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(duì)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(jī)。研究團(tuán)隊(duì)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(jì)優(yōu)勢(shì)。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(shì)，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(yùn)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(tuán)隊(duì)提出的IGCT交叉鉗位方案，這是國(guó)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(yùn)行一年多，為IGCT器件特性的研究和改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)了國(guó)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(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)稱?？煽毓栌袉蜗?、雙向、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(zhǎng)、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于可控整流、調(diào)壓、逆變以及無觸點(diǎn)開關(guān)等各種自動(dòng)控制和大功率的電能轉(zhuǎn)換的場(chǎng)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(hào)作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，但一旦導(dǎo)通，外部信號(hào)就無法使其關(guān)斷，只能靠去除負(fù)載或降低其兩端電壓使其關(guān)斷。單向可控硅是由三個(gè)PN結(jié)PNPN組成的四層三端半導(dǎo)體器件，與具有一個(gè)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(gè)PN結(jié)的三極管相比，差別在于可控硅對(duì)控制極電流沒有放大作用。雙向可控硅具有兩個(gè)方向輪流導(dǎo)通、關(guān)斷的特性。雙向可控硅實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導(dǎo)體形成四個(gè)PN結(jié)構(gòu)成、有三個(gè)電極的半導(dǎo)體器件。由于主電極的構(gòu)造是對(duì)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(gè)叫做第二電極A2。雙向可控硅的主要缺點(diǎn)是承受電壓上升率的能力較低。這是因?yàn)殡p向可控硅在一個(gè)方向?qū)ńY(jié)束時(shí)，硅片在各層中的載流子還沒有回到截止?fàn)顟B(tài)的位置，必須采取相應(yīng)的保護(hù)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(jī)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(fù)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。

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(diǎn)，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。
2、相對(duì)于IGBT而言，IGCT投放市場(chǎng)的時(shí)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(shì)，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(zhēng)論，雖然IGCT出現(xiàn)晚，但至少在目前，還看不出它相對(duì)IGBT有什么優(yōu)勢(shì)。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(duì)應(yīng)的是IEGT， IEGT也稱為壓裝式IGBT （PPI)。