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(diǎn),，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(dòng)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(diǎn),，因此,，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著越來(lái)越大的作用。就目前情況來(lái)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(chǎng)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(chǎng)合,。GTO高阻斷電壓大通態(tài)電流是其主要特點(diǎn),，但它的關(guān)斷功率損耗大，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)（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(dòng)電路,，可靠性不理想，因此，在大功率使用時(shí)受到很大限制,，而IGBT關(guān)斷時(shí)間短（幾μs）,，工作頻率高，關(guān)斷過(guò)程均勻,，功率損耗小，緩沖及門極電路簡(jiǎn)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(wú)疑使電路復(fù)雜，可靠性降低,。針對(duì)GTO和IGBT的缺點(diǎn),，1997年，ABB公司設(shè)計(jì)制造了集成門極換流晶閘管（Integrated Gate CommutatedThyristor）,，簡(jiǎn)稱IGCT,。IGCT的問(wèn)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(jí)邁出了“質(zhì)”的一步。

1 IGCT的工作原理及特點(diǎn)
　　IGCT是由門極換向晶閘管GCT和硬門極驅(qū)動(dòng)電路集成而來(lái)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(shí),，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(shí),，阻止陰極注入電流,，全部陽(yáng)極電流瞬間（1 s）強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為門極電流，象一個(gè)沒(méi)有了陰極正反饋?zhàn)饔玫腘PN晶體管,，陽(yáng)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(shí)間,。在器件用于電壓逆變時(shí),，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(gè)特點(diǎn)是采用硬門極驅(qū)動(dòng)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(gè)特點(diǎn)：
　　1）保留了GTO阻斷電壓高（6kV）,，導(dǎo)通電流大（6kA）的優(yōu)點(diǎn),。
　　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(jì),，有利于器件的保護(hù),。
　　4）GTO屬非齊次開關(guān)特性，關(guān)斷時(shí)需要一個(gè)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(wú)需緩沖電路,，逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比IGBT還要簡(jiǎn)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(jiǎn)單,、可靠。
　　5）器件與器件之間的開關(guān)過(guò)程一致性好,，所以,，可以容易地實(shí)現(xiàn)IGCT的串并聯(lián)，擴(kuò)大其功率使用范圍,。
　　6）電壓等級(jí)高于1GBT,，現(xiàn)有IGCT的電壓等級(jí)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(diǎn),，又兼容了二者優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)中壓級(jí),、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(jí)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(duì)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(guò)中壓元器件直接變頻,；另一種是通過(guò)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(diǎn)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(diǎn)是GTO器件價(jià)格高,、開關(guān)慢,、損耗大，龐大的緩沖電路和門極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，但本身工作電壓低,，導(dǎo)通電流小,，用于中等電壓等級(jí)下需要多器件串并聯(lián)，可靠性差，間接變頻優(yōu)點(diǎn)是可使用通用低壓變頻器變頻,；缺點(diǎn)：一是需要2臺(tái)變壓器,，增加了裝置成本，二是經(jīng)過(guò)降壓,、整流,、儲(chǔ)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(jiǎn)單,，見圖2所示。一個(gè)三相IGCT逆變器可由11個(gè)元器件組成,，其中6個(gè)IGCT（帶集成反向二極管）,，1個(gè)電抗器，1個(gè)箝位二極管,，1個(gè)箝位電容器,，1個(gè)電阻器和1套門極驅(qū)動(dòng)電源，外型尺寸小,、元器件小,、可靠性高、成本低,?？梢姡肐GCT設(shè)計(jì)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(duì)于我國(guó)煤礦這類耗能大戶來(lái)說(shuō),，具有十分重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,。


圖2 三相IGcT逆變器
3 結(jié)語(yǔ)
　　總之，IGCT兼容了GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn),，是一種理想的中壓大功率器件,，盡管它誕生時(shí)間不長(zhǎng)，但它的優(yōu)良性能已經(jīng)受到人們的青睞,，在我國(guó)的礦山企業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用,。