5shy3545L0002可控硅模块,PLC生产制造商
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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。
IGCT触发功率小,可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体,通过两根光纤输入触发信号、输出工作状态信号。IGCT将 GTO技术与现代功率晶体管IGBT的优点集于一身,利用大功率关断器件可简单可靠地串联这一关键技术,使得IGCT在中高压领域以及功率在 0.5MVA~100MVA的大功率应用领域尚无真正的对手。
下表是IGBT,GTO和IGCT三种电力器件的性能比较:
IGCT损耗低、开关快速等这些优点了它能可靠、率地用于300 kVA~10MVA变流器,而不需要串联或并联。在串联时,逆变器功率可扩展到100MVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性,如能实现di/dt和dv/dt 的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在着导通高损耗、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点,限制了高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此IGCT将成为高功率高电压变频器的功率器件。
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。
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。
1、IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点,而且造成本低,成品率高,有很好的应用前景。
2、相对于IGBT而言,IGCT投放市场的时间较晚,应用也没有IGBT广,技术成熟度不如IGBT。 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。 IGBT和IGCT,谁是电力电子器件的发展方向?目前学术界正在争论,虽然IGCT出现晚,但至少在目前,还看不出它相对IGBT有什么优势。但也有可能随着技术的发展,两者并驾齐驱,或者都被某种新的器件代替。
与IGCT所对应的是IEGT, IEGT也称为压装式IGBT (PPI)。