摘 要:介紹了一種新型大功率電器開關元件IGCT的工作原理，并闡述了其使用特點，指出了該器件在礦山企業(yè)的應用前景。
關鍵詞：新型；大功率器件；集成門極換流晶閘管；應用
交流變頻調(diào)速技術是電氣傳動的發(fā)展方向之一，它具有調(diào)速性能優(yōu)越和節(jié)能效果顯著兩大特點，因此，在國民經(jīng)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(tài)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(lián)或并聯(lián)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(lián)，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(diào)速技術向大功率（>1MW）、中電壓等級邁出了“質(zhì)”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(fā)射區(qū)和集成續(xù)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(chǎn)生正反饋，電流很大，通態(tài)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(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)。
從結構上看，IGCT由于引入了緩沖層技術和可穿透發(fā)射區(qū)，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(xù)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(yōu)點。
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(tài)壓降小，通態(tài)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(tǒng)的GTO相比，元器件數(shù)減少一半以上，系統(tǒng)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(xiàn)IGCT的串并聯(lián)，擴大其功率使用范圍。
6）電壓等級高于1GBT，現(xiàn)有IGCT的電壓等級為4．5 kV和6 kV。
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(yōu)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(xiàn)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(diào)速的負荷，如果能采用IGCT組成逆變電源，其工作性能優(yōu)良，節(jié)能效果好，應用前景廣闊。
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(jù)所用器件不同又分為GTO變頻器和IGBT變頻器，前者優(yōu)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(tǒng)體積一半左右，難以推廣使用。后者IG—BT有諸多優(yōu)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(lián)，可靠性差，間接變頻優(yōu)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(jīng)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(shù)量要減少約1／2，系統(tǒng)節(jié)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(jīng)濟效益。
圖2 三相IGcT逆變器
3 結語
總之，IGCT兼容了GTO和IGBT的優(yōu)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(yōu)良性能已經(jīng)受到人們的青睞，在我國的礦山企業(yè)自動化進程中必將得到廣泛應用。
