5SHY6545L0001可控硅模块,PLC技术的发展

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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必须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。

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。

近年来，在新能源输送和大规模储能的驱动下，直流电网在世界各国的发展势不可挡。高压大容量功率半导体器件作为MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等直流主干网络关键装备的核心元件，是学术研究的前沿话题，也是产业应用的关注热点。IGBT具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快、耐压高、电流大等优点，在柔性直流电网中得到了广泛的应用。而事实上，尽管IGBT优势突出，但是相比电流型器件，仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题，具有很多改进的空间。尤其是在高压大容量应用中，所使用的开关器件数量非常大，若能改进这些特性，进一步提高效率和可靠性、减小成本，将会具有很大的吸引力和应用前景。

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，攻克了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。

IGCT集成门极换流晶闸管(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(集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元)。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，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的高速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。 　　

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT），是由BJT(双极型三极管)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极之间，主要用于续流，同时由于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT两端产生极高的自感反相电压，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。