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。