5SHY5055L0002可控硅模块,可靠性和灵活性

集成栅极换流晶闸管IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是1996年问世的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT是一种基于GTO结构、利用集成栅极结构进行栅极硬驱动、采用缓冲层结构及阳极透明发射极技术的新型大功率半导体开关器件，具有晶闸管的通态特性及晶体管的开关特性。由于采用了缓冲结构以及浅层发射极技术，因而使动态损耗降低了约50％，另外，此类器件还在一个芯片上集成了具有良好动态特性的续流二极管，从而以其特的方式实现了晶闸管的低通态压降、高阻断电压和晶体管稳定的开关特性有机结合.

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。

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。

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，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，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）发挥出好的控制性能。