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。