集成門極換流晶閘管,IGCT的工作原理是什么?
交流變頻調速技術是電氣傳動的發展方向之一,它具有調速性能優越和節能效果顯著兩大特點,因此,在國民經濟中起著越來越大的作用。就目前情況來看,變頻器中較常用的電力電子器件有兩大類,一類具有晶閘管導電機理,如:門極可關斷晶閘管(GTO)、MOS可控晶閘管(MCT)、MOS可關斷晶閘管(MTO)、絕緣門極可關斷晶閘管(IGTF)、門極換向晶閘管(GCI)等;另一類具有晶體管導電機理,如:大功率雙極型晶體管(GTR)、金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。
MOS—FET、IGBT、GTO的容量、平均開關損耗、開關頻率的比較見表1。由表1可知,MOSFET只能用于較小功率(<100 kW)的場合。GTO高阻斷電壓大通態電流是其主要特點,但它的關斷功率損耗大,關斷時間長(幾十μs),在串聯或并聯使用中需配備龐大的緩沖電路和門極驅動電路,可靠性不理想,因此,在大功率使用時受到很大限制,而IGBT關斷時間短(幾μs),工作頻率高,關斷過程均勻,功率損耗小,緩沖及門極電路簡單,所以在中功率(100 kW~1 MW)范圍得到廣泛應用,但是如果要提高IGBT的工作電壓和導通電流,使其能工作在中壓(幾kV)范圍,就必須進行多器件串并聯,這無疑使電路復雜,可靠性降低。
針對GTO和IGBT的缺點,1997年,ABB公司設計制造了集成門極換流晶閘管(Integrated Gate CommutatedThyristor),簡稱IGCT。IGCT的問世,是電力半導體器件的重大突破,也使得交流變頻調速技術向大功率(>1MW)、中電壓等級邁出了“質”的一步。
1 IGCT的工作原理及特點
IGCT是由門極換向晶閘管GCT和硬門極驅動電路集成而來的,而GCT又是在CTO芯片上引入緩沖層、可穿透發射區和集成續流快速恢復二極管結構形成的。
GCT在導通和阻斷兩種情況下的等效電路見圖1。當門極電壓正偏時,管子導通,象晶閘管一樣產生正反饋,電流很大,通態壓降很低;反偏時,阻止陰極注入電流,全部陽極電流瞬間(1 s)強制轉化為門極電流,象一個沒有了陰極正反饋作用的NPN晶體管,陽性電流從門極均勻流出,由通態變為斷態。
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從結構上看,IGCT由于引入了緩沖層技術和可穿透發射區,使芯片厚度大大減小,因而相應減小了器件的導通損耗和關斷損耗,縮短了關斷時間。在器件用于電壓逆變時,集成續流快速二極管又可抑制浪涌電壓。IGCT結構上的另一個特點是采用硬門極驅動集成技術,使GCT關斷增益近似為1,省掉吸收電路,降低了成本。
可見IGCT與GTO、IGBT相比,有以下幾個特點:
1)保留了GTO阻斷電壓高(6kV),導通電流大(6kA)的優點。 信息請登陸:輸配電設備網
2)在相同運行功率條件下,開關頻率比GTO和IGBT更高,可達到1 kHz,開關損耗降低,約為GTO的一半。
3)由于采用了很薄的緩沖層結構,所以通態壓降小,通態損耗幾乎可以忽略不計,有利于器件的保護。
4)GTO屬非齊次開關特性,關斷時需要一個龐大的緩沖電路。而IGCT屬齊次開關特性,可承受很大的dV/dt的沖擊,無需緩沖電路,逆變器結構設計的比IGBT還要簡單,與傳統的GTO相比,元器件數減少一半以上,系統更加簡單、可靠。
5)器件與器件之間的開關過程一致性好,所以,可以容易地實現IGCT的串并聯,擴大其功率使用范圍。 信息請登陸:輸配電設備網
6)電壓等級高于1GBT,現有IGCT的電壓等級為4.5 kV和6 kV。 信息請登陸:輸配電設備網
4.5kV,3kA(d85mm)GTO與IGCT的特性比較,見表2。
可見,IGcT的開關特性類似IGBT,通斷能力又 很象GTO,因此,IGCT是屏棄了IGBT和GTO的缺點,又兼容了二者優點的一個中壓級、大功率(10MW)的器件。
2 IGCT在煤礦中的應用前景
隨著煤礦機械化程度的不斷提高,煤礦供電電壓等級也在提高,現在幾千伏中壓不僅要供給井上,諸如水泵、通風機、壓風機等大型負荷用電,而且作為井下提升機、運輸機、采煤機等大型設備的電源使用,特別是對于一些象提升機、風機、水泵這些需要調速的負荷,如果能采用IGCT組成逆變電源,其工作性能優良,節能效果好,應用前景廣闊。 信息來源:http://www.tede.cn
目前,中壓變頻方案有兩種,一種是通過中壓元器件直接變頻;另一種是通過升降壓變壓器間接變頻。直接變頻根據所用器件不同又分為GTO變頻器和IGBT變頻器,前者優點是變頻器輸出容量大,可滿足一般大功率負荷的需要,缺點是GTO器件價格高、開關慢、損耗大,龐大的緩沖電路和門極驅動電路大約占系統體積一半左右,難以推廣使用。后者IG—BT有諸多優點,但本身工作電壓低,導通電流小,用于中等電壓等級下需要多器件串并聯,可靠性差,間接變頻優點是可使用通用低壓變頻器變頻;缺點:一是需要2臺變壓器,增加了裝置成本,二是經過降壓、整流、儲能、逆變、升壓5次能量轉換,效率較低。而采用IGCT器件組成變頻器直接變頻,其逆變器電路非常簡單,見圖2所示。一個三相IGCT逆變器可由11個元器件組成,其中6個IGCT(帶集成反向二極管),1個電抗器,1個箝位二極管,1個箝位電容器,1個電阻器和1套門極驅動電源,外型尺寸小、元器件小、可靠性高、成本低。可見,用IGCT設計的逆變器,比同等容量的IGBT和GTO逆變器元器件數量要減少約1/2,系統節能約1/3,這對于我國煤礦這類耗能大戶來說,具有十分重要的社會經濟效益。
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圖2 三相IGcT逆變器
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3 結 語 信息請登陸:輸配電設備網
總之,IGCT兼容了GTO和IGBT的優點,是一種理想的中壓大功率器件,盡管它誕生時間不長,但它的優良性能已經受到人們的青睞,在我國的礦山企業自動化進程中必將得到廣泛應用。
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