各类功率元器件在工业控制系统中应用比较

王继兵 刘文革 侯华来

(中国二十冶集团有限公司,上海 201999)

各类功率元器件在工业控制系统中应用比较

王继兵 刘文革 侯华来

(中国二十冶集团有限公司,上海 201999)

本文针对各类工业传动系统的功率电子元器件在工程项目中应用情况进行系统比较。在工业轧钢传动系统对可控功率元器件要求越来越高,GCT及IEGT功率元器件在科技发展的今天,由于卓越的性能,随着控制方式的日益完善,正被广泛应用与新型的工业传动系统的控制中。

IEGT SCR GTO GCT

1 普通晶闸管(SCR)

SCR问世于二十世纪五十年代,由于它的高阻断电压、大通态电流和低损耗的特点,半个多世纪以来一直得到广泛应用。其派生器件还包括快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管等。但晶闸管类器件存在不能自关断、关断时间过长(多为几百μs)、工作频率低等不足,使其应用领域受到限制。

2 绝缘栅双极晶体管(IGBT)

二十世纪八十年代问世的IGBT是晶体管类器件的佼佼者,它的关断时间短(几μs),工作频率高,而且关断过程均匀,应用电路不需要缓冲电路。但单管面积(容量)有限,而为了提高导通电流和工作电压采取的串并联措施又增加了设计的难度和设备制造的复杂性。

随着科技进步,目前,IEGT是用于大功率轧钢机的AC电机能量转换新型高压大功率半导体。由于近年来开发了自断式高功率半导体工艺,在热轧的轧机中主传动设备采用了GTO和高压IGBT。随着技术的发展,一种集成度更高,技术更先进、大功率的IEGT(注入强化闸门晶体管)投入使用。宝钢三热轧首次采用这种技术来控制轧机的主电机。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景,具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性,使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外,通过模块封装方式还可提供众多派生产品,在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。

日本东芝开发的IEGT利用了“电子注入增强效应”,使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降,宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右),低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电极引出结构,可靠性高,性能已经达到4．5KV/1500A的水平。

3 门极关断晶闸管(GTO: Gate Turn-Off)

GTO是一种自关断型大功率电力电子器件,通过门极电流来控制器件的导通与关断,兼有高阻断电压、大通态电流的突出特点。从结构上看,它是由几百个甚至几千个小原胞(GTO)并联而成。小原胞越多,器件的容量越大。GTO管芯的直径已达到150mm,工作电流6000A,工作电压6000V。但GTO的关断时间过长(几十μs),而且关断过程是非均匀的,易产生局部过热现象,造成元件的失效。另外GTO电荷存储时间差异过大,使GTO在串联和并联应用时需要有复杂的缓冲电路,这种电路几乎占最终设备体积的一半以上。

采用GTO变频调速系统的主要缺点是：GTO元件导通状态和开关损耗都比较大,使传动装置本身的效率较交-交变频系统低;GTO元件需要阻容缓冲回路,其门极驱动复杂,内部接线多,故GTO系统的可靠性较交-交变频系统低;GTO元件需整体更换,其备件成本较高。

4 门极换向晶闸管(GCT: Gate Communicated Tun-off)

GCT是日本三菱电机推出不久的新型电力电子器件,由GTO演变而来,对GTO的结构进行了重大改革,系GTO的升级换代产品。其主要特点是关断时间短(小于3μs)、导通及关断损耗低(仅为GTO的50%不到)。GCT导通时,具有晶闸管的工作原理,其特点为低导通压降和大导通电流;当门极电压反偏时,通过器件的全部电流在瞬间(1μs)被从门极抽走,从导通状态转变为阻断状态(GTO在导通态和阻断态之间有一个过渡状态)。这使GCT具有承受很大的dV/dt冲击的能力,在关断过程中,不需要缓冲电路对线路的dV/dt进行抑制。

其主要特点为：

(1)无缓冲回路也可以关断。(2)可降低存储时间(是GTO的1/10),开关频率可提高到2-3kHz。由于存储时间偏差小,简化了串并联的连接方式。(3)触发存储电荷比GTO晶闸管减少了一半,由此,触发功率可以减少30%-40%。(4)di/dt量提高了2倍多,di/dt抑制用的阳极电抗器可以减少一半。(5)使用压接平行外壳,与GTO晶闸管的置换非常容易。(6)由于不需要缓冲回路,包括元件及阳极电抗器在内的总的损耗,有负载时可抑制在50%以下,空载时几乎没有损耗。(7)和GTO一样都属于晶闸管结构,很容易实现低导通电压及高压、大电流化。

GCT元件的开关损耗低,传动装置的设计可以采用更高的开关频率,以提高系统的性能。

采用集成化的门极驱动回路,可将其线路电感大大降低(小于5nH),使门极驱动的元件数、发热量、电应力和热应力均有所下降,从而提高了系统的可靠性、降低了控制设备的成本。

GCT的开关一致性好,元件数量少,门极线路简单,采用模块结构,功率元件可快速更换,提高了装置的可靠性,大大降低了备件的成本。

虽然GCT元件的调速原理与GTO系统基本相同,但其效率大大高于GTO系统,可靠性、可维护性优于GTO系统,传动装置成本也低于GTO系统。

5 结语

诚然,由于每种器件的性能差异和不同厂家的设计风格,使各种器件在不同的功率和频率的应用中均具有自己独特的领域,如西门子公司的SIMOVERT系列,其MD、MV、ML、D四种变频器根据其不同的用途就分别选用了IGBT、GTO、SCR等不同的器件。但综上所述,GCT结合了GTO、IGBT的优点,是一种在大功率范围内有广泛用途的新型器件。