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集成门极换流晶闸管IGCT在矿山中应用

发布时间:2011-01-27 来源:中国自动化网 类型:应用案例 人浏览
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IGCT

导读:

摘 要:介绍了一种新型大功率电器开关元件IGCT的工作原理,并阐述了其使用特点,指出了该器件在矿山企业的应用前景。 关键词:新型;大功率器件;集成门极换流晶闸管;应用   交流变频调速技术是电气传动的发展方...

摘 要:介绍了一种新型大功率电器开关元件IGCT的工作原理,并阐述了其使用特点,指出了该器件在矿山企业的应用前景。
关键词:新型;大功率器件;集成门极换流晶闸管;应用
  交流变频调速技术是电气传动的发展方向之一,它具有调速性能优越和节能效果显著两大特点,因此,在国民经济中起着越来越大的作用。就目前情况来看,变频器中较常用的电力电子器件有两大类,一类具有晶闸管导电机理,如:门极可关断晶闸管(GTO)、MOS可控晶闸管(MCT)、MOS可关断晶闸管(MTO)、绝缘门极可关断晶闸管(IGTF)、门极换向晶闸管(GCI)等;另一类具有晶体管导电机理,如:大功率双极型晶体管(GTR)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。MOS—FET、IGBT、GTO的容量、平均开关损耗、开关频率的比较见表1。由表1可知,MOSFET只能用于较小功率(<100 kW)的场合。GTO高阻断电压大通态电流是其主要特点,但它的关断功率损耗大,关断时间长(几十μs),在串联或并联使用中需配备庞大的缓冲电路和门极驱动电路,可靠性不理想,因此,在大功率使用时受到很大限制,而IGBT关断时间短(几μs),工作频率高,关断过程均匀,功率损耗小,缓冲及门极电路简单,所以在中功率(100 kW~1 MW)范围得到广泛应用,但是如果要提高IGBT的工作电压和导通电流,使其能工作在中压(几kV)范围,就必须进行多器件串并联,这无疑使电路复杂,可靠性降低。针对GTO和IGBT的缺点,1997年,ABB公司设计制造了集成门极换流晶闸管(Integrated Gate CommutatedThyristor),简称IGCT。IGCT的问世,是电力半导体器件的重大突破,也使得交流变频调速技术向大功率(>1MW)、中电压等级迈出了“质”的一步。

1 IGCT的工作原理及特点
  IGCT是由门极换向晶闸管GCT和硬门极驱动电路集成而来的,而GCT又是在CTO芯片上引入缓冲层、可穿透发射区和集成续流快速恢复二极管结构形成的。
  GCT在导通和阻断两种情况下的等效电路见图1。当门极电压正偏时,管子导通,象晶闸管一样产生正反馈,电流很大,通态压降很低;反偏时,阻止阴极注入电流,全部阳极电流瞬间(1 s)强制转化为门极电流,象一个没有了阴极正反馈作用的NPN晶体管,阳性电流从门极均匀流出,由通态变为断态。

  从结构上看,IGCT由于引入了缓冲层技术和可穿透发射区,使芯片厚度大大减小,因而相应减小了器件的导通损耗和关断损耗,缩短了关断时间。在器件用于电压逆变时,集成续流快速二极管又可抑制浪涌电压。IGCT结构上的另一个特点是采用硬门极驱动集成技术,使GCT关断增益近似为1,省掉吸收电路,降低了成本。
  可见IGCT与GTO、IGBT相比,有以下几个特点:
  1)保留了GTO阻断电压高(6kV),导通电流大(6kA)的优点。
  2)在相同运行功率条件下,开关频率比GTO和IGBT更高,可达到1 kHz,开关损耗降低,约为GTO的一半。
  3)由于采用了很薄的缓冲层结构,所以通态压降小,通态损耗几乎可以忽略不计,有利于器件的保护。
  4)GTO属非齐次开关特性,关断时需要一个庞大的缓冲电路。而IGCT属齐次开关特性,可承受很大的dV/dt的冲击,无需缓冲电路,逆变器结构设计的比IGBT还要简单,与传统的GTO相比,元器件数减少一半以上,系统更加简单、可靠。
  5)器件与器件之间的开关过程一致性好,所以,可以容易地实现IGCT的串并联,扩大其功率使用范围。
  6)电压等级高于1GBT,现有IGCT的电压等级为4.5 kV和6 kV。
  4.5kV,3kA(d85mm)GTO与IGCT的特性比较,见表2。

  可见,IGcT的开关特性类似IGBT,通断能力又 很象GTO,因此,IGCT是屏弃了IGBT和GTO的缺点,又兼容了二者优点的一个中压级、大功率(10MW)的器件。
2 IGCT在煤矿中的应用前景
  随着煤矿机械化程度的不断提高,煤矿供电电压等级也在提高,现在几千伏中压不仅要供给井上,诸如水泵、通风机、压风机等大型负荷用电,而且作为井下提升机、运输机、采煤机等大型设备的电源使用,特别是对于一些象提升机、风机、水泵这些需要调速的负荷,如果能采用IGCT组成逆变电源,其工作性能优良,节能效果好,应用前景广阔。
  目前,中压变频方案有两种,一种是通过中压元器件直接变频;另一种是通过升降压变压器间接变频。直接变频根据所用器件不同又分为GTO变频器和IGBT变频器,前者优点是变频器输出容量大,可满足一般大功率负荷的需要,缺点是GTO器件价格高、开关慢、损耗大,庞大的缓冲电路和门极驱动电路大约占系统体积一半左右,难以推广使用。后者IG—BT有诸多优点,但本身工作电压低,导通电流小,用于中等电压等级下需要多器件串并联,可靠性差,间接变频优点是可使用通用低压变频器变频;缺点:一是需要2台变压器,增加了装置成本,二是经过降压、整流、储能、逆变、升压5次能量转换,效率较低。而采用IGCT器件组成变频器直接变频,其逆变器电路非常简单,见图2所示。一个三相IGCT逆变器可由11个元器件组成,其中6个IGCT(带集成反向二极管),1个电抗器,1个箝位二极管,1个箝位电容器,1个电阻器和1套门极驱动电源,外型尺寸小、元器件小、可靠性高、成本低。可见,用IGCT设计的逆变器,比同等容量的IGBT和GTO逆变器元器件数量要减少约1/2,系统节能约1/3,这对于我国煤矿这类耗能大户来说,具有十分重要的社会经济效益。


图2 三相IGcT逆变器
3 结语
  总之,IGCT兼容了GTO和IGBT的优点,是一种理想的中压大功率器件,尽管它诞生时间不长,但它的优良性能已经受到人们的青睐,在我国的矿山企业自动化进程中必将得到广泛应用。

























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