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关注|直流电网有了“芯”选择!

北极星智能电网在线  来源:悦智网    2020/4/22 16:48:10    

北极星智能电网在线讯:功率半导体器件家族中的重要成员——IGCT 器件能够安全、可靠、经济、高效地实现高压大容量的能量转换,在柔性直流输电中展现出非常大的应用优势,有望成为直流电网的“芯”选择。

(来源:悦智网 微信公众号)

个普通而又平凡的清晨,你在舒适的空调温度下醒来。打开冰箱,取出食物做一顿美美的早餐;解锁充好电的手机,查看最新的资讯;来到公司后打开电脑,开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活,伴你度过充实的一天。与此同时,来自火电、水电、核电以及风电、光伏发电的电能正被源源不断地输送到城市和乡村,供给传统的能源、机械、交通、制造产业,以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。

但是,来自不同源头电能的电压、频率各不相同,它们就像形态、大小各异的食物,其中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工,经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”,最终供拥有不同“口味”的设备使用,满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“大厨”便是功率半导体器件。功率半导体器件也称电力电子器件,结合不同电路拓扑可以形成各类电力电子装置,实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断革新,从高压输电到城市用电,从工业变频到医疗器械,从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器,再到手机、笔记本等数码产品,功率半导体器件无处不在,与我们的生活密不可分。其中,集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor,IGCT)器件作为功率半导体器件家族中的年轻成员于1997年首次被提出,展现出了巨大的发展潜力,正成为直流电网的“芯”选择。

IGCT器件的前世今生回顾

IGCT器件的发展史,要从晶闸管说起。晶闸管自从1957年在美国通用公司诞生以来,经过随后20多年的发展,已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品,早期的大功率变流器几乎全部采用晶闸管。半个世纪之后,晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势,依旧在大功率变频调速、高压直流输电(HVDC)、柔性交流输电(FACTS)等领域中广泛应用。到了20世纪70年代后期,晶闸管的一种派生器件——门极可关断晶闸管(GTO)得到了快速发展。GTO是一种全控型器件,比传统晶闸管具有更大的灵活性,被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。但是由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大,在关断时还需要额外的吸收电路,因此随着后来出现的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、IGCT等器件性能不断提升,GTO逐渐被取代。

在20世纪80年代,以IGBT为代表的高速、全控型器件迅速发展。IGBT结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动功率小、开关速度快以及双极型晶体管(BJT)通态压降低、载流能力大的优点。随着IGBT不断更新换代,其日渐成为现代电力电子技术的主流器件,特别是压接式IGBT的出现,使其向大功率、高效率跨出一大步,已被广泛应用于柔性直流输电(VSC-HVDC)工程当中。

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与此同时,通过对GTO 技术的改进,新一代可关断晶闸管类器件IGCT于20世纪90年代问世。IGCT改进了GTO芯片,并利用新型低感封装将驱动电路和芯片紧密集成到一体,显示出比传统GTO 更加显著的优点:损耗低、开关速度快、容量密度大、可靠性高等。这些优点保证了IGCT 可以在维持较低成本的基础上,安全、可靠、经济、高效地用于高压大容量功率变换领域,并在一些电力电子装置中具有更为突出的优势。

我国突破IGCT器件新技术

自从IGCT诞生以来,由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高等优点,在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛应用。ABB公司针对中压传动领域的ACS系列变频器以及针对风力发电领域的PCS系列换流器均采用IGCT作为开关器件,并于2017年研制成功了用于轨道交通供电的交交型模块化多电平变换器(MMC)样机;我国株洲中车时代电气股份有限公司(现为株洲中车时代半导体有限公司)生产的IGCT器件也被大量应用于轨道交通领域。

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近年来,在新能源输送和大规模储能的驱动下,直流电网在世界各国的发展势不可挡。高压大容量功率半导体器件作为MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等直流主干网络关键装备的核心元件,是学术研究的前沿话题,也是产业应用的关注热点。IGBT具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快、耐压高、电流大等优点,在柔性直流电网中得到了广泛的应用。而事实上,尽管IGBT优势突出,但是相比电流型器件,仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题,具有很多改进的空间。尤其是在高压大容量应用中,所使用的开关器件数量非常大,若能改进这些特性,进一步提高效率和可靠性、减小成本,将会具有很大的吸引力和应用前景。

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而相比IGBT,IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本,并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力,有望改进IGBT在高压大容量应用中的表现和性能。事实上,相比于交流电网应用,在柔性直流电网中,MMC、直流变压器以及直流断路器等关键设备均具有很多新的特点,例如MMC的开关频率非常低、直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点一定程度上将弱化IGCT开关速度慢等技术弱点,为IGCT在柔性直流电网中的应用带来了巨大的契机。

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