《電子技術(shù)應(yīng)用》
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集成門極換流晶閘管IGCT在礦山中應(yīng)用
摘要: 介紹了一種新型大功率電器開關(guān)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(yīng)用前景。
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摘 要:介紹了一種新型大功率電器開關(guān)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(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:新型;大功率器件;集成門極換流晶閘管;應(yīng)用
  交流變頻調(diào)速技術(shù)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(jì)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(dǎo)電機(jī)理,如:門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、MOS可控晶閘管(MCT)、MOS可關(guān)斷晶閘管(MTO)、絕緣門極可關(guān)斷晶閘管(IGTF)、門極換向晶閘管(GCI)等;另一類具有晶體管導(dǎo)電機(jī)理,如:大功率雙極型晶體管(GTR)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。MOS—FET、IGBT、GTO的容量、平均開關(guān)損耗、開關(guān)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(guān)斷功率損耗大,關(guān)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(qū)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(guān)斷時間短(幾μs),工作頻率高,關(guān)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(yīng)用,但是如果要提高IGBT的工作電壓和導(dǎo)通電流,使其能工作在中壓(幾kV)范圍,就必須進(jìn)行多器件串并聯(lián),這無疑使電路復(fù)雜,可靠性降低。針對GTO和IGBT的缺點,1997年,ABB公司設(shè)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(dǎo)體器件的重大突破,也使得交流變頻調(diào)速技術(shù)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(qū)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(fù)二極管結(jié)構(gòu)形成的。
  GCT在導(dǎo)通和阻斷兩種情況下的等效電路見圖1。當(dāng)門極電壓正偏時,管子導(dǎo)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(qiáng)制轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上看,IGCT由于引入了緩沖層技術(shù)和可穿透發(fā)射區(qū),使芯片厚度大大減小,因而相應(yīng)減小了器件的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗,縮短了關(guān)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(jié)構(gòu)上的另一個特點是采用硬門極驅(qū)動集成技術(shù),使GCT關(guān)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(dǎo)通電流大(6kA)的優(yōu)點。
  2)在相同運(yùn)行功率條件下,開關(guān)頻率比GTO和IGBT更高,可達(dá)到1 kHz,開關(guān)損耗降低,約為GTO的一半。
  3)由于采用了很薄的緩沖層結(jié)構(gòu),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(hù)。
  4)GTO屬非齊次開關(guān)特性,關(guān)斷時需要一個龐大的緩沖電路。而IGCT屬齊次開關(guān)特性,可承受很大的dV/dt的沖擊,無需緩沖電路,逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)過程一致性好,所以,可以容易地實現(xiàn)IGCT的串并聯(lián),擴(kuò)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(guān)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(yīng)用前景
  隨著煤礦機(jī)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(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)等大型負(fù)荷用電,而且作為井下提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)等大型設(shè)備的電源使用,特別是對于一些象提升機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵這些需要調(diào)速的負(fù)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(yīng)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(fù)荷的需要,缺點是GTO器件價格高、開關(guān)慢、損耗大,龐大的緩沖電路和門極驅(qū)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(dǎo)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(zhuǎn)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(qū)動電源,外型尺寸小、元器件小、可靠性高、成本低??梢?,用IGCT設(shè)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(jì)效益。


圖2 三相IGcT逆變器
3 結(jié)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(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。

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