3BHE023784可控硅模块,dcs的应用领域和竞争力

3BHE023784可控硅模块,dcs的应用领域和竞争力

一个普通而又平凡的清晨，你在舒适的空调温度下醒来。打开冰箱，取出食物做一顿美美的早餐；解锁充好电的手机，查看最新的资讯；来到公司后打开电脑，开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活，伴你度过充实的一天。与此同时，来自火电、水电、核电以及风电、光伏发电的电能正被源源不断地输送到城市和乡村，供给传统的能源、机械、交通、制造产业，以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。

但是，来自不同源头电能的电压、频率各不相同，它们就像形态、大小各异的食物，其中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工，经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”，最终供拥有不同“口味”的设备使用，满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“大厨”便是功率半导体器件。

功率半导体器件也称电力电子器件，结合不同电路拓扑可以形成各类电力电子装置，实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断革新，从高压输电到城市用电，从工业变频到医疗器械，从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器，再到手机、笔记本等数码产品，功率半导体器件无处不在，与我们的生活密不可分。其中，集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作为功率半导体器件家族中的年轻成员于1997年首次被提出，展现出了巨大的发展潜力，正成为直流电网的“芯”选择。

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，晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、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。

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突出的优势，使其在直流电网中的应用具备巨大的潜力。

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首次亮相。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首次应用。

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、效率高、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第一电极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，必须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具有优异表现，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)。