各類功率元器件在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較

王繼兵 劉文革 侯華來(lái)

(中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司,上海 201999)

各類功率元器件在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較

王繼兵 劉文革 侯華來(lái)

(中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司,上海 201999)

本文針對(duì)各類工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率電子元器件在工程項(xiàng)目中應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)比較。在工業(yè)軋鋼傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)可控功率元器件要求越來(lái)越高,GCT及IEGT功率元器件在科技發(fā)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(yīng)用與新型的工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制中。

IEGT SCR GTO GCT

1 普通晶閘管(SCR)

SCR問(wèn)世于二十世紀(jì)五十年代,由于它的高阻斷電壓、大通態(tài)電流和低損耗的特點(diǎn),半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直得到廣泛應(yīng)用。其派生器件還包括快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等。但晶閘管類器件存在不能自關(guān)斷、關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(多為幾百μs)、工作頻率低等不足,使其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

2 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

二十世紀(jì)八十年代問(wèn)世的IGBT是晶體管類器件的佼佼者,它的關(guān)斷時(shí)間短(幾μs),工作頻率高,而且關(guān)斷過(guò)程均勻,應(yīng)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(dǎo)通電流和工作電壓采取的串并聯(lián)措施又增加了設(shè)計(jì)的難度和設(shè)備制造的復(fù)雜性。

隨著科技進(jìn)步,目前,IEGT是用于大功率軋鋼機(jī)的AC電機(jī)能量轉(zhuǎn)換新型高壓大功率半導(dǎo)體。由于近年來(lái)開(kāi)發(fā)了自斷式高功率半導(dǎo)體工藝,在熱軋的軋機(jī)中主傳動(dòng)設(shè)備采用了GTO和高壓IGBT。隨著技術(shù)的發(fā)展,一種集成度更高,技術(shù)更先進(jìn)、大功率的IEGT(注入強(qiáng)化閘門晶體管)投入使用。寶鋼三熱軋首次采用這種技術(shù)來(lái)控制軋機(jī)的主電機(jī)。

IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐壓達(dá)4KV以上的IGBT系列電力電子器件,通過(guò)采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓,使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景,具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn),以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性,使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。另外,通過(guò)模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品,在大、中容量變換器應(yīng)用中被寄予厚望。

日本東芝開(kāi)發(fā)的IEGT利用了“電子注入增強(qiáng)效應(yīng)”,使之兼有IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降,寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為GTO的1/10左右),低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率。器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu),可靠性高,性能已經(jīng)達(dá)到4．5KV/1500A的水平。

3 門極關(guān)斷晶閘管(GTO: Gate Turn-Off)

GTO是一種自關(guān)斷型大功率電力電子器件,通過(guò)門極電流來(lái)控制器件的導(dǎo)通與關(guān)斷,兼有高阻斷電壓、大通態(tài)電流的突出特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看,它是由幾百個(gè)甚至幾千個(gè)小原胞(GTO)并聯(lián)而成。小原胞越多,器件的容量越大。GTO管芯的直徑已達(dá)到150mm,工作電流6000A,工作電壓6000V。但GTO的關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(幾十μs),而且關(guān)斷過(guò)程是非均勻的,易產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象,造成元件的失效。另外GTO電荷存儲(chǔ)時(shí)間差異過(guò)大,使GTO在串聯(lián)和并聯(lián)應(yīng)用時(shí)需要有復(fù)雜的緩沖電路,這種電路幾乎占最終設(shè)備體積的一半以上。

采用GTO變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：GTO元件導(dǎo)通狀態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗都比較大,使傳動(dòng)裝置本身的效率較交-交變頻系統(tǒng)低;GTO元件需要阻容緩沖回路,其門極驅(qū)動(dòng)復(fù)雜,內(nèi)部接線多,故GTO系統(tǒng)的可靠性較交-交變頻系統(tǒng)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(jī)推出不久的新型電力電子器件,由GTO演變而來(lái),對(duì)GTO的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重大改革,系GTO的升級(jí)換代產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是關(guān)斷時(shí)間短(小于3μs)、導(dǎo)通及關(guān)斷損耗低(僅為GTO的50%不到)。GCT導(dǎo)通時(shí),具有晶閘管的工作原理,其特點(diǎn)為低導(dǎo)通壓降和大導(dǎo)通電流;當(dāng)門極電壓反偏時(shí),通過(guò)器件的全部電流在瞬間(1μs)被從門極抽走,從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)(GTO在導(dǎo)通態(tài)和阻斷態(tài)之間有一個(gè)過(guò)渡狀態(tài))。這使GCT具有承受很大的dV/dt沖擊的能力,在關(guān)斷過(guò)程中,不需要緩沖電路對(duì)線路的dV/dt進(jìn)行抑制。

其主要特點(diǎn)為：

(1)無(wú)緩沖回路也可以關(guān)斷。(2)可降低存儲(chǔ)時(shí)間(是GTO的1/10),開(kāi)關(guān)頻率可提高到2-3kHz。由于存儲(chǔ)時(shí)間偏差小,簡(jiǎn)化了串并聯(lián)的連接方式。(3)觸發(fā)存儲(chǔ)電荷比GTO晶閘管減少了一半,由此,觸發(fā)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(yáng)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(yáng)極電抗器在內(nèi)的總的損耗,有負(fù)載時(shí)可抑制在50%以下,空載時(shí)幾乎沒(méi)有損耗。(7)和GTO一樣都屬于晶閘管結(jié)構(gòu),很容易實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電壓及高壓、大電流化。

GCT元件的開(kāi)關(guān)損耗低,傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)可以采用更高的開(kāi)關(guān)頻率,以提高系統(tǒng)的性能。

采用集成化的門極驅(qū)動(dòng)回路,可將其線路電感大大降低(小于5nH),使門極驅(qū)動(dòng)的元件數(shù)、發(fā)熱量、電應(yīng)力和熱應(yīng)力均有所下降,從而提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了控制設(shè)備的成本。

GCT的開(kāi)關(guān)一致性好,元件數(shù)量少,門極線路簡(jiǎn)單,采用模塊結(jié)構(gòu),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(diào)速原理與GTO系統(tǒng)基本相同,但其效率大大高于GTO系統(tǒng),可靠性、可維護(hù)性優(yōu)于GTO系統(tǒng),傳動(dòng)裝置成本也低于GTO系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

誠(chéng)然,由于每種器件的性能差異和不同廠家的設(shè)計(jì)風(fēng)格,使各種器件在不同的功率和頻率的應(yīng)用中均具有自己獨(dú)特的領(lǐng)域,如西門子公司的SIMOVERT系列,其MD、MV、ML、D四種變頻器根據(jù)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(jié)合了GTO、IGBT的優(yōu)點(diǎn),是一種在大功率范圍內(nèi)有廣泛用途的新型器件。