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**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——门较可关断晶闸管(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较型晶体管(IGBT)、IGCT等器件性能不断提升,GTO逐渐被取代。
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巨大的契机。
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,克服了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集成门较换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门较换流晶闸管=门较换流晶闸管+门较单元)。1997年由ABB公司提出。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巨大进展,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门较驱动电路集成在一起,再与其门较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、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。 已用于电力系统电网装置(100MVA)和的中功率工业驱动装置(5MW)IGCT在中压变频器领域内成功的应用了11年的时间(到09年为止),由于IGCT的高速开关能力*缓冲电路,因而所需的功率元件数目更少,运行的可靠性大大增高。
绝缘栅双较晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT),是由BJT(双较型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。驱动功率小而饱和压降低。二极管加在集电极和发射较之间,主要用于续流,同时由于负载存在感性,IGBT关断瞬间会在IGBT两端产生较高的自感反相电压,此电压可能击穿IGBT。并联的二极管将这个“自感反相电压”短路掉了,起到保护IGBT的作用。
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