1 igct簡(jiǎn)介

集成門極換流晶閘管igct（integrated gate commuated thyristors）是在門極可關(guān)斷晶閘管gto的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。通過印刷電路板將igct芯片與其門極驅(qū)動(dòng)電路連接在一起，將門極驅(qū)動(dòng)回路電感限制在nh水平，實(shí)現(xiàn)門極換流和硬驅(qū)動(dòng)。

igct最早是由瑞士abb公司提出，隨后日本三菱電子公司也開始研究。湖南株洲南車時(shí)代電氣公司經(jīng)過多年努力，也于2005年成功研制出igct系列產(chǎn)品（如圖1、2所示），填補(bǔ)了我國在大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件領(lǐng)域的一項(xiàng)空白。

圖1 4500v/1100a逆導(dǎo)型igct組件

圖2 4500v/4000a不對(duì)稱型igct組件

igct的工作原理結(jié)合了gto和igbt的優(yōu)點(diǎn)，擁有晶閘管低導(dǎo)通壓降和高阻斷電壓以及igbt穩(wěn)定可靠的關(guān)斷性能，非常適合高壓大功率變流裝置的應(yīng)用要求。目前已成功應(yīng)用到很多大功率領(lǐng)域，包括風(fēng)力發(fā)電，脈沖電源，statcom等。

國外igct的應(yīng)用范圍已經(jīng)非常廣泛，尤其在高壓傳動(dòng)及電能質(zhì)量控制等方面。1999年，abb推出了基于igct的中壓變頻器acs6000，在全球已安裝的中壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，abb占的份額最大，足以證明igct器件的優(yōu)勢(shì)。據(jù)abb公司對(duì)近幾年igct市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果預(yù)測(cè)，未來幾年全球?qū)gct元件需求量將會(huì)以每年15％以上速度增長，在5年內(nèi)達(dá)到5000萬美元。

我國大功率電力電子器件產(chǎn)業(yè)落后，大功率電力電子裝置在國家能源交通等重大領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，加上大功率igct器件應(yīng)用技術(shù)比較復(fù)雜且不為大多數(shù)人所熟悉，因此大功率igct的應(yīng)用在我國還處于起步階段，僅個(gè)別單位株洲時(shí)代集團(tuán)、清華大學(xué)、國電南自、許繼使用igct，有少量產(chǎn)品問世。

未來幾年我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定快速發(fā)展，大功率電力電子裝置產(chǎn)業(yè)也將迅速增長。僅就igct在風(fēng)電變流器領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)算。我國2030年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1億kw以上。若是按照機(jī)組容量1.5mw計(jì)算，需要mw級(jí)并網(wǎng)變流器6萬余臺(tái)。如果其中一半采用igct變流器，而每臺(tái)igct變流器至少使用12只igct器件計(jì)算，igct器件和驅(qū)動(dòng)電路的需求就在36萬套以上。

2 igct驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

igct分為直流供電型和交直流供電型兩種，如圖3所示。以交直流供電型igct為例，由開關(guān)穩(wěn)壓電源、邏輯控制電路、開通和關(guān)斷控制電路、故障監(jiān)視和指示以及光纖接口等部分組成。

輸入的24v～40v交直流供電電源經(jīng)過整流濾波、開關(guān)電源，產(chǎn)生穩(wěn)定的20v門極驅(qū)動(dòng)電壓和5v控制電源。當(dāng)接收到光纖開通命令時(shí)，邏輯控制電路向開通電路發(fā)出指令。門極開通電路提供強(qiáng)觸發(fā)電流脈沖，使陰極電子注入非常均勻，在陽極電流增大之前降低igct器件通態(tài)壓降，從而提高器件的開通速度，減小器件開通損耗。

igct雖然與gto有著類似的四層三結(jié)pnpn結(jié)構(gòu)，但與傳統(tǒng)gto、scr驅(qū)動(dòng)電流有本質(zhì)區(qū)別的是，igct在開通關(guān)斷過程中，要求驅(qū)動(dòng)電路提供很大上升率和幅值的驅(qū)動(dòng)電流，稱之為“硬驅(qū)動(dòng)”。

(a) 直流供電型igct門極驅(qū)動(dòng)原理框圖

(b) 交直流供電型門極驅(qū)動(dòng)原理圖
圖3 igct門極驅(qū)動(dòng)原理框圖

圖4是igct強(qiáng)開通驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖。在接收到開通命令后， q0、q1、q2同時(shí)導(dǎo)通。內(nèi)部20v穩(wěn)壓電源ugk，通過q0、q1、q2對(duì)l1、l2充電。當(dāng)l1、l2中的電流達(dá)到設(shè)定值后，q1、q2先后關(guān)斷，電感中的電流通過d1、d2、igct的門極和陰極放電，從而形成igct強(qiáng)開通觸發(fā)脈沖電流。只要保證放電回路（igct門極和陰極回路）的阻抗足夠小，就可以產(chǎn)生電流上升率能夠滿足要求的硬驅(qū)動(dòng)開通觸發(fā)電流。

圖4 強(qiáng)開通驅(qū)動(dòng)電路原理圖

igct最具特點(diǎn)的是關(guān)斷電路，借助集成門極電路換流實(shí)現(xiàn)的“門極換流”關(guān)斷過程：陰極電流首先被換流至門極驅(qū)動(dòng)電路，陽極電流于是通過門極驅(qū)動(dòng)電路繼續(xù)流通。igct從晶閘管模式進(jìn)入晶體管模式，在晶體管模式下將陽極電流關(guān)斷（如圖5所示）。關(guān)斷電路原理如圖 6所示。在igct導(dǎo)通狀態(tài)下，soff截止，電容coff被充電至ugk。為了關(guān)斷igct，soff閉合，ugk被反向施加到igct的門極和陰極之間。igct關(guān)斷后，soff將繼續(xù)閉合，維持門極的負(fù)偏置，以保證igct的可靠截止。

圖5 igct在晶體管模式下關(guān)斷

圖6 關(guān)斷電路原理圖

為了保證igct的硬開通和硬關(guān)斷，必須盡量減小igct門極回路的電感。以硬關(guān)斷過程為例，為了能在t1時(shí)間內(nèi)將電流ia從陰極換流至門極，igct整個(gè)門極回路的電感l(wèi)g應(yīng)滿足：

因此，在ugk＝20 v的情況下，對(duì)于最大關(guān)斷電流為1100a的igct，如果要求 小于1μs，根據(jù)式（1）lg不能大于18nh。為此，在igct組件的設(shè)計(jì)中，可以利用印刷電路板直接將驅(qū)動(dòng)電路與igct器件的門極和陰極連接。通過這種驅(qū)動(dòng)電路與igct的“集成連接”，在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，完全可將門極回路的電感控制在所要求的范圍以內(nèi)。

（1）

另一個(gè)減少門極回路阻抗的措施是,在實(shí)際設(shè)計(jì)中soff采用多個(gè)低導(dǎo)通電阻的高速mosfet器件并聯(lián)的方法，并由專門的驅(qū)動(dòng)電路來保證這些mosfet器件有足夠快和一致的開關(guān)動(dòng)作。

由于igct驅(qū)動(dòng)電路各部分工作速度較高、時(shí)序復(fù)雜，因此采用功能強(qiáng)、速度快、抗干擾性能優(yōu)異和保密性能好的熔絲型邏輯可編程器件fpga作為控制的核心。檢測(cè)和保護(hù)電路則負(fù)責(zé)對(duì)驅(qū)動(dòng)板和igct的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路通過rxd和txd光纖接口控制和狀態(tài)反饋信號(hào)的輸入和輸出。

用戶只需要提供門極驅(qū)動(dòng)電源和光纖信號(hào)，簡(jiǎn)單的壓接裝置就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)igct開通關(guān)斷的控制。

3 igct用戶使用指南

igct驅(qū)動(dòng)單元被設(shè)計(jì)成與igct器件的陰極直接相連，與器件處于相同電位，驅(qū)動(dòng)單元自身不再具備任何電氣絕緣能力。在使用過程中，用戶必須根據(jù)變流器的具體情況及要求，在提供給驅(qū)動(dòng)單元的供電電源回路上自行設(shè)置合適的電氣絕緣環(huán)節(jié)。

門極驅(qū)動(dòng)單元的功率消耗包括兩個(gè)部分：門極驅(qū)動(dòng)單元自身工作的損耗和驅(qū)動(dòng)igct器件消耗的功率。前者在不同的工作條件下變化不大，而后者則與igct的開關(guān)頻率、關(guān)斷電流和電壓的大小等都有很大的的關(guān)系，變化范圍也比較大。用戶在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到igct器件應(yīng)用場(chǎng)合，給驅(qū)動(dòng)單元提供合適的驅(qū)動(dòng)功率。具體數(shù)據(jù)請(qǐng)參考產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

開通過程中，門極驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作如圖7所示，ch1表示光纖信號(hào)，ch2表示門極電壓，ch3表示門極電流。關(guān)斷過程中，門極驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作如圖8所示，ch1表示光纖信號(hào)，ch2表示門極電壓。門極驅(qū)動(dòng)單元的開通（關(guān)斷）延遲時(shí)間，包括光纖輸入信號(hào)濾除毛刺所需的時(shí)間和驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部處理過程的延遲。由于igct器件在驅(qū)動(dòng)單元觸發(fā)下開通（關(guān)斷）也存在一定的延遲，因此整個(gè)igct的開通（關(guān)斷）延遲時(shí)間tdon（tdoff）將略大于門極驅(qū)動(dòng)單元的開通（關(guān)斷）延遲時(shí)間。關(guān)于tdon，tdoff）在igct的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有詳細(xì)說明。

(ch1 5 v/div, ch2 10 v/div, ch3 50 a/div, 500 ns/div)

圖7 igct門極驅(qū)動(dòng)電路開通過程

(ch1 5 v/div, ch2 10 v/div, 500 ns/div)

圖8 igct門極驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷過程

很多igct變流裝置，都要求在igct器件兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管。而在這些裝置中，就可能存在igct在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通的情況下被觸發(fā)導(dǎo)通，或是igct被觸發(fā)導(dǎo)通后反并聯(lián)二極管導(dǎo)通的情況。此時(shí)如不采取特殊處理，igct的工作就可能出現(xiàn)異常。為了避免出現(xiàn)問題，igct門極驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)有重觸發(fā)功能。另一個(gè)需要重觸發(fā)的情況，是出現(xiàn)在igct陽極通態(tài)電流比較?。?lt;100a），而陽極電流激增且電流上升率又大于igct臨界通態(tài)電流上升率限制的時(shí)候。

重觸發(fā)，就是在正常開通時(shí)刻以外的時(shí)間，igct門極驅(qū)動(dòng)單元重新向igct的門極注入正向的強(qiáng)觸發(fā)電流。門極驅(qū)動(dòng)單元的重觸發(fā)指令可由外部控制信號(hào)或門極驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部產(chǎn)生。外部控制信號(hào)，通過光纖給門極驅(qū)動(dòng)單元所提供的，寬度介于一定值之間的關(guān)斷控制信號(hào)脈沖（具體數(shù)值參考數(shù)據(jù)手冊(cè)）。在條件允許的情況下，驅(qū)動(dòng)單元將產(chǎn)生重觸發(fā)操作。

內(nèi)部重觸發(fā)，在外部開通控制信號(hào)有效期間，如檢測(cè)到igct的陽極從負(fù)偏置（反并聯(lián)二極管導(dǎo)通就會(huì)造成igct陽極被負(fù)偏置）轉(zhuǎn)變?yōu)檎茫琲gct驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一次重觸發(fā)動(dòng)作。

由于重觸發(fā)動(dòng)作本質(zhì)上與igct正常開通過程中的強(qiáng)觸發(fā)完全相同，重觸發(fā)將增大igct門極驅(qū)動(dòng)單元的功率消耗。因此為了限制門極驅(qū)動(dòng)單元的損耗，要求igct的正常開關(guān)頻率和外部重觸發(fā)頻率之和不得超過一定的限制。

4 igct的保護(hù)措施

采用交直流輸入方式的igct驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部具備過流保護(hù)功能，過流保護(hù)值參見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)。在出現(xiàn)過流或短路的情況下，過流保護(hù)功將切斷對(duì)內(nèi)部開關(guān)電源的供電，以最大限度地確保驅(qū)動(dòng)單元的安全。過流保護(hù)電路還具有故障重試功能：在過流故障發(fā)生并實(shí)施保護(hù)后，間隔約4s時(shí)間，驅(qū)動(dòng)單元將再次嘗試向內(nèi)部的開關(guān)電源電路供電。如果故障消除，電源系統(tǒng)將重新開始正常工作；否則，驅(qū)動(dòng)單元將再次采取保護(hù)動(dòng)作，并重復(fù)上述過程，直至故障消除或用戶停止供電。

直流輸入型igct組件產(chǎn)品沒有過流保護(hù)功能，用戶應(yīng)根據(jù)具體的需要和要求自行設(shè)計(jì)過流保護(hù)方案。

在igct組件正常工作的情況下，驅(qū)動(dòng)單元光纖反饋信號(hào)與控制信號(hào)相反，也即在開通控制信號(hào)有效時(shí)，反饋信號(hào)光纖發(fā)送器沒有光。相反，在關(guān)斷控制信號(hào)有效時(shí)，反饋信號(hào)光纖發(fā)送器有光。

當(dāng)igct組件出現(xiàn)故障時(shí)，光纖反饋信號(hào)完全跟隨輸入控制信號(hào)的變化。常見的故障包括；igct驅(qū)動(dòng)單元控制電源故障；igct門陰極短路；igct門陰極開路；其它故障，包括igct組件沒有跟隨控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)正常的開關(guān)動(dòng)作等。需要特別說明的是，如果故障導(dǎo)致igct驅(qū)動(dòng)單元控制電源不能正常工作（包括電源本身故障和igct門陰極短路故障等），狀態(tài)反饋信號(hào)可能因光纖發(fā)送器無法工作而始終處于無光的狀態(tài)。

整個(gè)變流器系統(tǒng)通過檢測(cè)光纖反饋信號(hào)，判斷igct工作是否正常，再控制主電路相關(guān)動(dòng)作。

5 結(jié)束語

我國目前已掌握了igct器件核心關(guān)鍵技術(shù)，具有igct器件完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。雖然技術(shù)剛剛起步，但是前景十分廣闊。在產(chǎn)業(yè)化的道路上還應(yīng)該繼續(xù)深入研究，提高器件的性能和可靠性，促進(jìn)我國igct產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介

張 嬋（1983-） 女 碩士研究生在讀 主要研究方向：igct驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究。

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