各類功率元器件在工業控制系統中應用比較

王繼兵 劉文革 侯華來

(中國二十冶集團有限公司,上海 201999)

各類功率元器件在工業控制系統中應用比較

王繼兵 劉文革 侯華來

(中國二十冶集團有限公司,上海 201999)

本文針對各類工業傳動系統的功率電子元器件在工程項目中應用情況進行系統比較。在工業軋鋼傳動系統對可控功率元器件要求越來越高,GCT及IEGT功率元器件在科技發展的今天,由于卓越的性能,隨著控制方式的日益完善,正被廣泛應用與新型的工業傳動系統的控制中。

IEGT SCR GTO GCT

1 普通晶閘管(SCR)

SCR問世于二十世紀五十年代,由于它的高阻斷電壓、大通態電流和低損耗的特點,半個多世紀以來一直得到廣泛應用。其派生器件還包括快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管等。但晶閘管類器件存在不能自關斷、關斷時間過長(多為幾百μs)、工作頻率低等不足,使其應用領域受到限制。

2 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

二十世紀八十年代問世的IGBT是晶體管類器件的佼佼者,它的關斷時間短(幾μs),工作頻率高,而且關斷過程均勻,應用電路不需要緩沖電路。但單管面積(容量)有限,而為了提高導通電流和工作電壓采取的串并聯措施又增加了設計的難度和設備制造的復雜性。

隨著科技進步,目前,IEGT是用于大功率軋鋼機的AC電機能量轉換新型高壓大功率半導體。由于近年來開發了自斷式高功率半導體工藝,在熱軋的軋機中主傳動設備采用了GTO和高壓IGBT。隨著技術的發展,一種集成度更高,技術更先進、大功率的IEGT(注入強化閘門晶體管)投入使用。寶鋼三熱軋首次采用這種技術來控制軋機的主電機。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐壓達4KV以上的IGBT系列電力電子器件,通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓,使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景,具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點,以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性,使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外,通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產品,在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。

日本東芝開發的IEGT利用了“電子注入增強效應”,使之兼有IGBT和GTO兩者的優點：低飽和壓降,寬安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右),低柵極驅動功率(比GTO低兩個數量級)和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電極引出結構,可靠性高,性能已經達到4．5KV/1500A的水平。

3 門極關斷晶閘管(GTO: Gate Turn-Off)

GTO是一種自關斷型大功率電力電子器件,通過門極電流來控制器件的導通與關斷,兼有高阻斷電壓、大通態電流的突出特點。從結構上看,它是由幾百個甚至幾千個小原胞(GTO)并聯而成。小原胞越多,器件的容量越大。GTO管芯的直徑已達到150mm,工作電流6000A,工作電壓6000V。但GTO的關斷時間過長(幾十μs),而且關斷過程是非均勻的,易產生局部過熱現象,造成元件的失效。另外GTO電荷存儲時間差異過大,使GTO在串聯和并聯應用時需要有復雜的緩沖電路,這種電路幾乎占最終設備體積的一半以上。

采用GTO變頻調速系統的主要缺點是：GTO元件導通狀態和開關損耗都比較大,使傳動裝置本身的效率較交-交變頻系統低;GTO元件需要阻容緩沖回路,其門極驅動復雜,內部接線多,故GTO系統的可靠性較交-交變頻系統低;GTO元件需整體更換,其備件成本較高。

4 門極換向晶閘管(GCT: Gate Communicated Tun-off)

GCT是日本三菱電機推出不久的新型電力電子器件,由GTO演變而來,對GTO的結構進行了重大改革,系GTO的升級換代產品。其主要特點是關斷時間短(小于3μs)、導通及關斷損耗低(僅為GTO的50%不到)。GCT導通時,具有晶閘管的工作原理,其特點為低導通壓降和大導通電流;當門極電壓反偏時,通過器件的全部電流在瞬間(1μs)被從門極抽走,從導通狀態轉變為阻斷狀態(GTO在導通態和阻斷態之間有一個過渡狀態)。這使GCT具有承受很大的dV/dt沖擊的能力,在關斷過程中,不需要緩沖電路對線路的dV/dt進行抑制。

其主要特點為：

(1)無緩沖回路也可以關斷。(2)可降低存儲時間(是GTO的1/10),開關頻率可提高到2-3kHz。由于存儲時間偏差小,簡化了串并聯的連接方式。(3)觸發存儲電荷比GTO晶閘管減少了一半,由此,觸發功率可以減少30%-40%。(4)di/dt量提高了2倍多,di/dt抑制用的陽極電抗器可以減少一半。(5)使用壓接平行外殼,與GTO晶閘管的置換非常容易。(6)由于不需要緩沖回路,包括元件及陽極電抗器在內的總的損耗,有負載時可抑制在50%以下,空載時幾乎沒有損耗。(7)和GTO一樣都屬于晶閘管結構,很容易實現低導通電壓及高壓、大電流化。

GCT元件的開關損耗低,傳動裝置的設計可以采用更高的開關頻率,以提高系統的性能。

采用集成化的門極驅動回路,可將其線路電感大大降低(小于5nH),使門極驅動的元件數、發熱量、電應力和熱應力均有所下降,從而提高了系統的可靠性、降低了控制設備的成本。

GCT的開關一致性好,元件數量少,門極線路簡單,采用模塊結構,功率元件可快速更換,提高了裝置的可靠性,大大降低了備件的成本。

雖然GCT元件的調速原理與GTO系統基本相同,但其效率大大高于GTO系統,可靠性、可維護性優于GTO系統,傳動裝置成本也低于GTO系統。

5 結語

誠然,由于每種器件的性能差異和不同廠家的設計風格,使各種器件在不同的功率和頻率的應用中均具有自己獨特的領域,如西門子公司的SIMOVERT系列,其MD、MV、ML、D四種變頻器根據其不同的用途就分別選用了IGBT、GTO、SCR等不同的器件。但綜上所述,GCT結合了GTO、IGBT的優點,是一種在大功率范圍內有廣泛用途的新型器件。