3BHE023784可控硅模块,PLC的网络及发展趋势

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，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，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的优势，使其在直流电网中的应用具备的潜力。

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应用。

IGCT的门极电路里，包含了大量的IC和电阻电容，尤其是有大量的电解电容，为了提供大的关断电流而设计，使其有一定的寿命限制；而且，这种电容是不可更换的，连着整个器件一起更换，造成维护成本增大。如果器件出现故障，对于IGBT构成的系统，一般更换驱动电路或IGBT即可，价格在1500元以内，而且常规电压的IGBT及其驱动电路在内地市场代理商林立，一般都有现货；而对于IGCT构成的系统，更换整个IGCT，更换一次一般在20000元以上，其国内代理商只有少数几家，由于占用资金大，一般没有现货，所以一旦出现故障，维修周期长、费用高，而且由于器件复杂，对维修的技术人员要求很高，过了保修期以后往往受制于人。在电路设计上，IGBT只需要很小而比较简单的缓冲电路，有时甚至可以省略缓冲电路；IGCT除了要有电压缓冲电路外，还有电流缓冲电路，以抑制关断时的二次击穿，比IGBT复杂。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。IGCT以前的优点是电流大，方便串联应用，4500V/4000A很平常，现在被IGBT慢慢追上，IGBT有4500V/1200A的，可以并联，不方便串联，IGCT缺点是开关频率不能太高，波形没有IGBT好，损耗大，谐波大，对算法要求更高，价格贵。IGCT在超大电流场合应用较多，例如轧钢环境，3300V，上万kw功率，三电平IGCT变频器（西门子SM150）发挥出好的控制性能。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。 日本东芝开发的IECT利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5KV/1500A的水平。