大容量全控型压接式IGBT和IGCT器件对比分析：原理、结构、特性和应用

全控型压接式器件是大容量电力电子装备实现功率转换的核心,主要包括以集成门极换流晶闸管(integratedgate commutatedthyristor,IGCT)为代表的晶闸管类器件和以绝缘栅型双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、注入增强栅极晶体管(injection enhanced gate transistor,IEGT)为代表的晶体管类器件。文中首先介绍并比较IGCT与IGBT(含IEGT)的芯片结构及制作工艺,然后分析对比IGCT与IGBT(含IEGT)的工作原理及封装形式。接着从工作频率、关断能力、动态耐受、器件容量、工作损耗、驱动功率、管壳防爆特性、失效短路特性、器件可靠性等9个角度出发,系统性分析不同全控型压接式器件的工作特性,最后对其应用现状及前景进行概述及展望。     

高压大容量静止同步补偿器的优化节能运行

为了实现高压大容量静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的节能运行,以南方电网35kV/±200MVA链式STATCOM为研究背景,从STATCOM的器件选择、控制方式、控制策略等多方面进行了讨论。对比了IGBT、IGCT和IEGT等功率开关器件的开通损耗、关断损耗和驱动功率,提出从节能角度采用IEGT更适合目标系统。分析了硬开关PWM逆变器的缺点,提出在链式STATCOM的PWM控制方式逆变器中采取辅助谐振软开关拓扑结构,可减少损耗,应对逆变器载波频率、无功波形质量和装置损耗之间的矛盾。考虑到目标STATCOM的并联连接方式,基于对现场运行数据的分析,建立了多台STATCOM并联运行的节能优化数学模型,可用于制订节能运行策略。基于对广东电网暂态无功需求的分析,提出STATCOM与传统的电容/电抗器无功补偿设备配合控制策略:STATCOM优先动作,需要补偿的稳定容量达到设定限值后,转投/切电容器或电抗器。仿真结果与现场测试数据表明,采用以上节能方式,可降低约30%的STATCOM损耗。     

IGCT和IEGT——适用于STATCOM的新型大功率开关器件

硬驱动概念的出现极大地改进了门极可关断晶闸管（GTO）的关断性能,并导致了集成门极换向型晶闸管（IGCT）的出现。IGCT在GTO技术的基础上,采用新技术集成了硬驱动门极驱动电路及反并联二极管,使器件不需关断吸收电路、可靠性更高、工作频率更高,易于串联工作。电子注入增强门极晶体管（IEGT）是东芝公司于1993年开发出的新一代电力电子器件。它具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、串联运行容易等诸多优点。IGCT和IEGT将逐步取代GTO广泛应用于中等电压大容量变流器中。文中简要地介绍了IGCT和IEGT的基本结构、工作原理、性能比较,以及在静止补偿器和逆变器中的应用情况。     

集成门极换流晶闸管门极驱动电路

介绍了集成门极换流晶闸管(IGCT)的基本结构,它同时拥有晶体管的关断特性和晶闸管的开通特性,是一种理想的兆瓦级中高压半导体开关器件.IGCT必须结合集成门极驱动电路才能完成硬开通和硬关断,因此门极驱动电路的性能将直接影响器件性能的优劣.具体设计了630A/4500V逆导GCT的驱动电路,并分析了驱动电路的要求和设计原理.     

微电网大功率IGCT变流器重触发问题的研究

随着分布式发电的容量提升,在并网设备方面需要有高压、大容量的开关器件集成门极换流晶闸管(IGCT)逐步开始代替现有的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为变流器的核心器件。以大功率三电平IGCT变流器为研究对象,针对传统IGCT变流器开关器件损耗及重触发等问题,设计了桥臂无损吸收回路应用在三电平电路上;从IGCT的结构特点出发,分析了内部重触发和外部重触发的工作原理以及应用场合,提出内部重触发阈值需合理设置,并通过实验验证了阈值是否设置合理。最后设计了3 MW的IGCT三电平变流器,针对功率组件进行了脉冲实验,针对整机进行了互馈实验,进一步验证了设计的正确性。     

浅谈IEGT器件在STATCOM领域的应用

为改善南方电网系统电压稳定性,在广州电网加装STATCOM,需要最大无功补偿容量200 MVA。由于IGBT耐受的电压、电流值不能满足要求,选用IEGT解决了这一问题。并应用PWM技术,实现了对STATCOM电流的瞬时控制。     

集成门极换向晶闸管在大容量变流装置中的应用研究

电力电子功率器件的的单管容量是大容量变流器装置研究和应用的瓶颈,集成门极换向晶闸管IGCT的出现,促使电气传动控制装置及控制系统不断向控制的高速化、小型化及高效率化等方面发展.介绍了作者研究IGGT串联应用的成果,以及在三电平高压变频器和静止同步补偿器上应用大容量集成门极换向晶闸管的经验,指出了在大容量变流装置中使用集成门极换向晶闸管时要注意的几个关键问题.     

大功率IGBT智能门极驱动光纤通信方法研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)门极驱动技术作为连接功率器件和低压控制电路的纽带,对变流器的可靠运行起着至关重要的作用。针对大功率IGBT状态监测和健康管理需求,提出一种适用于大功率IGBT智能门极驱动光纤数据通信协议架构及编码方法。基于该协议不但可以实现IGBT开关控制,还可以实现控制器与门极驱动板的双向数据交互,为IGBT主动门极控制和在线状态监测提供了一条信息高速公路,实验验证了该编码协议的有效性,对大功率IGBT的高可靠应用及健康管理具有重要意义。     

IEGT——适用于STATCOM的新型大功率开关器件

IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor),即电子注入增强门极晶体管,是东芝公司于1993年开发出的新一代电力电子器件。它具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、串联运行容易等诸多优点,可以确信,它将会替代IGBT和GTO,并广泛应用于大功率电力电子设备,特别是FACTS设备。就其基本结构、工作原理和应用范围作了简要的介绍。     

IGCT的原理性电学模型与动态特性仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)因具有开关速度快、损耗低、容量大、导通管压降低等优越性能而正逐渐广泛地应用于中压大功率领域,但国内外仿真软件中尚无IGCT的器件仿真模型。为此根据IGCT的结构特点、工作原理、额定参数以及外总电学特性,应用两个Hu-Ki模型并联的优化模型及ORCAD建立了IGCT的原理性电学模型,给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的动态特性仿真与分析,给出了开通、关断电压和电流波形,关断功率脉冲波形,门极关断电压和电流波形。仿真结果显示仿真的IGCT器件关断时间2μs,关断能量约0.1J,关断时门极反向电流峰值25A,表现出明显的反向抽取作用,与实测波形保持了很好的一致性。该模型意义明确、描述准确、结构简单、仿真速度较快,且有一定的通用性,可用于IGCT器件与简单系统的仿真研究,为IGCT的选择应用、器件匹配与保护电路的设计提供研究手段与设计参考。     

新型高功率高重复频率脉冲电源研制

介绍了一台适用于某强流电子束加速器的高功率、高重复频率脉冲电源,其基本电路采用三相半波整流构成直流电源,利用LRC直流谐振充电原理实现脉冲电源的重复频率运行。     

静电除尘用大功率直流高压电源的电磁兼容性设计

带高频环节的静电除尘用大功率直流高压电源的du/dt、di/dt和静电除尘器的工作方式(电晕、火花)所引起的电磁干扰对控制电路是一个严峻的挑战。为解决此问题,从电磁兼容的角度优化了控制系统的设计,并对功率电路的主要干扰源采取措施。通过在一台输出功率60 kW、输出电压60 kV、逆变频率20 kHz电源中的成功运用,证明此电磁兼容性设计方案实用、有效。     

新型模块式高频高压大功率开关电源的设计——模块PF1000A-360和IPM-4M的应用

本文介绍由PF1000A-360型AC-DC功率变换模块和IPM-4M型全桥式DC-AC高频大功率变换模块组合设计的新型模块式高频(22～25kHz)高压(100～120V)大功率(1000W)开关电源。并阐明该开关电源的设计方法、工作原理及模块特点。     

大功率高频高压变压器的试验及故障分析

为分析一台大功率高频高压变压器的故障原因,搭建了试验平台并对该故障变压器和同等规格的无故障变压器进行了空载试验和波形录制;采用电流波形比较法对比分析了试验波形以总结其波形特点;根据变压器的绝缘结构提出了考虑寄生参数的等效电路并给出简化工作电路。研究表明空载电流大是由分布电容引起,而非气隙异常导致。通过电流波形比较,得出高压线包(层、匝)间绝缘击穿的故障结论,与拆卸观察结果相符合。     

大功率高性能逆变器技术发展综述

本文对大功率高性能逆变器的主回路结构和普遍采用的ＰＷＭ控制技术进行了简要的回顾,并分析比较了已有诸多结构及控制方案的优缺点,最后,文章对大功率逆变器的发展前景进行了展望。     

臭氧发生器高频高压电源的研制

臭氧发生器高频高压电源是臭氧发生器三个组成部分中的供电电源部分,也是其核心部分。它与臭氧放电室、原料气气源这两个部分必须相互匹配才能高效生产出臭氧,这也是研制的难点所在。它的研制成功,标明它是一个可靠性高、工作效率高、适用范围广、单机产能高、功率可调、频率可调、节能的理想电源。     

基于高频交流链接技术的大功率高压直流电源

当前大功率直流电源普遍采用直流链接技术和无源功率因数校正方案,电网侧电流谐波较大、功率因数较低且尺寸较大。基于高频交流链接(HF AC link)技术的变换器具有优异的电网侧性能,且不需要大容量的直流储能环节和滤波电抗器,尤其是在大功率电源中有利于减小尺寸,结合串联谐振电路,还可以减小损耗,以满足移动平台对高功率密度、高效率的要求。采用状态平面图法分析了在三相激励条件下的串联谐振电路断续模式下的电流特性,并得到了精确的控制参数表达式,对串联谐振电路采用脉冲密度调制(PDM)的方式调节和稳定直流电源的输出。在对单脉冲电流特性分析基础上给出了基于电网相位进行前馈的控制策略,并构建了前馈和反馈控制相结合的控制系统并对其进行仿真和实验。实验结果与仿真结果一致,表明在负载电阻560Ω上产生28.6k W,即4k V的条件下,电压纹波低于1%,输入侧功率因数为1,各相电流总谐波含量低于5.5%。     

大容量多电平变换器拓扑-现状与进展

自20世纪80年代以来,随着电力电子技术的飞速发展,大容量多电平变换器得到广泛应用并日趋高性能化.大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上.实现大容量变换的途径有高电压、大电流,在实际应用中以高电压大容量更为典型,而其中多电平变换技术则是实现高电压大容量的关键.本文对多电平变换技术的发展进行了回顾、比较以及总结,同时,还着重介绍了近几年国内外在这一领域研究的最新成果.基于此,对大容量多电平变换技术的发展趋势进行了展望,希望对大容量多电平变换技术进一步的研究提供了一个参考.     

大功率行波管测试设备高压电源的研究

介绍了一种适用于大功率行波管测试设备的高压电源系统设计方案。采用模块化的设计方法,阴极电源模块和各收集极电源模块功能独立,便于功率扩展。单电源模块可实现输出电压-1～-25 kV,输出电流0～500 mA,输出功率5 kW。详细阐述了零电压多谐振软开关条件下,4种工作模式的谐振过程和能量传递。提出了闭环稳压的间歇控制策略,减小了电源在轻载或空载条件下的开关损耗。最后给出不同工况下电源的主要工作波形,证明该设计方案的正确性和有效性。     

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏（high temperature gate bias,HTGB）测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。