IGCT

igct

IGCT家族

IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元)。1997年由ABB公司提出。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT 是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。已用于电力系统电网装置（100MVA）和的中功率工业驱动装置（5MW）IGCT在中压变频器领域内成功的应用了11年的时间（到09年为止），由于IGCT的高速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。

IGCT集IGBT（绝缘门极双极性晶体管）的高速开关特性和GTO（门极关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损耗特性于一体，一般触发信号通过光纤传输到IGCT单元。在ACS6000的有缘整流单元的相模块里，每相模块由IGCT 和二极管、钳位电容组成，由独立的门极供电单元GUSP为其提供能源。

快速恢复二极管 5SDF 05F4502

产品型号：5SDF 05F4502

所属类别：电子元器件二极管恢复二极管

产品说明：

快速二极管一般都比整流二极管的转换损耗高。对于每一个开关组（(GTO, IGCT和IGBT) ，我们提供专用于开关的优化快速二极管。

规格参数技术资料其它型号在线留言

V(RRM)：4500V

I(FAVM)：435A

I(FSM)：16kA

V(DC)：2800V

万和勇（葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌市，443002）(摘要) 对于励磁大功率整流柜发热问

题，本文从分析热量传递过程入手，针对阻碍可控硅热量散发的几个方面进行分析，提出了

有效提高散热效果、降低热阻的具体措施。(关键词) 热阻Rjc Rcs Rsa 散热效率0．引言

随着大功率半导体技术的快速发展，大中型发电机励磁装置普遍使用单柜额定电流在

1500A~2000A的大功率整流柜，由于在此大电流下晶闸管的耗散功率非常大，产生大量的

热能，如果热量散发途径受阻，将严重影响励磁整流柜的安全运行。1．散热原理技术讨论

在可控硅整流柜运行过程中，可控硅组件发热的热源主要在可控硅内部P-N结，如图一所

示。热量首先传给晶闸管管壳，然后传给散热器，最后由散热器传给散热器周围的空气。阻

碍可控硅热量散发的热阻也就由此分为三部分：Rjc：由P-N结结点至管壳热阻，简称结壳

热阻。Rcs：由管壳至散热器热阻，简称接触热阻。Rcs：由散热器表面到周围空气热阻，简

称散热器热阻。总的热阻值Rtot即为三项独立热阻值之和：Rtot=Rjc+Rcs+Rsa。我们要改

善可控硅的散热效果，就是要降低Rtot的值。结壳热阻Rjc与晶闸管的制造工艺有关，它

是晶闸管的一个重要技术指标，制造厂商均有规定,其量值不受选用的散热器或其它受控参

数的影响。接触热阻Rcs与晶闸管和散热器的压接工艺有密切联系，是一可控量。减少Rcs

的途径可以是增高界面介质导热率，或增大截面积，或者减少热力轨迹长度，也可以通过选

择合适的垫片减少Rcs的值。散热器热阻Rsa在选择散热器时具有重要作用，如果可控硅已

压成组件，则Rjc和Rcs就不可改变。改变的只有Rsa，主要途径有改变散热器尺寸和冷却

风速。对于大功率整流柜而言，由于各晶闸管耗散功率比较大，使得所允许的总热阻值Rtot

非常小，同时因为结壳热阻只受晶闸管的制造工艺限制，因此在大整流柜设计和生产时，必

须采取各种技术手段，降低接触热阻和散热器热阻。2．提高压接技术减小接触热阻RCS

2．1．接触面与RCS之间的关系如果将晶闸管与散热器接触面放大后，即可看到如图二所

示接触面的微观状况。无论两接触面加工得多么平整光滑，其表面总会有一些微小的凸起，

使得在两接触面之间形成了一个空隙，如果不加热结合剂，则空隙中充满不流动空气，对于

大功率晶闸管一般在压接时都会填充一定的填隙介质，这个介质层的厚度和面积决定了Rcs

即：L1为热量传输轨迹的长度或厚度函数，A1为热量流经的截面积，K为材料导热率。

Rcs表征了热量穿过晶闸管与散热器接触表面所受的阻力。该公式可转化为应用某一种介质

材料热阻时更方便的公式，即：ρ为某一种材料的单位热阻，t为平均层厚，A为接触面

积。2．2．压接力的选择当使用压接夹具将晶闸管与散热器表面压紧时，随着压接力的增

大，两接触面微观凸起将被压平，使得微观填隙厚度减小，导致Rcs减小。因此，压接力与Rcs成反比，如图三所示，当压接力增大到某一定时，Rcs不再减小反而增大，这是为什么呢？如果用材料力学的原理分析就不难发现，当材料在外力的作用下，一开始材料产生弹性变型，变形量与外力成反比。当外力超过材料的弹性极限材料就产生朔性变型。因此在压接力不太大时，也就是说晶闸管与散热器表面末产生朔性变形以前，作用在两接触面之间的力随着压接力的增大而增大，Rcs减小。当两接触面一旦产生朔性变形，即表面失去一部分弹力、导致Rcs反弹。因此，最适当的压接力对于某一组管子和散热器来说是一个固定值，而其左右偏差也不会太大，一般晶闸管厂商都给出这一量值，我们应该通过力矩换算，最后得出应加在各个螺拴上的力矩，而我们目前采用每个螺母加力矩20kgm的方式是不对的。2．3．填隙介质的影响实际上，即使抛光后的两表面相接触，也将因其固有的表面粗糙度和平整度的变化，构成局部的微观填隙，妨碍了热量传输，而且考虑到为获得抛光表面所需成本，一般也不会将两表面加工的非常平整光滑。无论任一种有热结合剂的晶闸管与散热器的装配方法都将优于干式接触，这是因为任何一种热结合剂的单位热阻都将小于不流动空气，各材料的ρ值见表一。目前常用的热结合剂可分为两类，一种是导电的，一种是不导电的，用于平板式晶闸管压接的只能是高导电率的，同时又是高热电率的。目前市场上出售的热结合剂品种很多，单位热阻相差很大。同样的压接条件，不同的结合剂Rcs相差几倍。表1 材料ρ0C/w）不流动工空气1200 硅脂204 聚脂薄膜236 云母66 结合剂56 阻极化覆层5.6 在压接时也应注意热结合剂的加注方法。正确的压接方法是，取足量的结合剂滴在晶闸管中心，然后与散热器结合面相接触，紧压接螺栓，为保证受力受力受力平衡，每颗螺栓转四分之一圈后立即紧另一颗螺栓，当结合刘从接触面疑缝四周被剂出时，才算压接合适，如果有哪一边没有剂出，则应松开压接螺栓，重新涂结合剂进行重压。压接时应使用力扭力板手，扭力矩应根据不同压接对象进行调整。3．改善风冷却结构降低Rsa 3．1．合理选择散热器热容量晶闸管的热量穿过管壳与散热器接触面后进入散热器，散热器要有一定的热容量，否则热量就不能顺利地从晶闸管壳传至散热器内部，散热器的热容量在一定范围内与散热器的体积量是正比，太大会导致散热器过于笨重，太小不利于热量的顺利传输，每种散热器的热容量生产厂家均可提供。在配散热器时，散热器容量一定应比晶闸管耗散功率大，并考虑一定裕度，一般取1.5~2倍即可。3．2．增大风压以提高散热效果在设计风冷却系统时，往往只注意要到保证风速≥6m/s这一指标，而勿视了风压指标。即使在一些设计手册中也只规定了风速指标，但风压对于散热效果有很大的影响。首先由于压头损失的存在，使得当风压低于散热器压头损失时，冷却风根本就吹不过去。第二，由于散热器各翼片间隙与风道与散热器间隙有很大差别。当风压过低时，冷却风根本不从散热器翼片间流过，而是从其中大的缝隙中流过，造成“风短路”现象。第三，增大风压，可使接近散热器微观表面的风速增加，增大散热器与空气的热交换率。3．3．合理设计风道增大传热效率我们在设计风道时，很多人都主张尽可能地使风的流向与散热器表现平行，总认为这样散热效率最高，其实不然。根据传热学的原理，当气体以湍流形式从散热器翼片缝隙流过时，比以层流形式流过传热效率要高得多。为了使进入缝隙的气体行成湍流，有时在进口端有意识地使部分风流的方向转一个角度，这就需要在进口处加一个喷管型或喇叭型的进口，以增大进风的雷诺数。有时还会在适当的位置加装激流板或激流丝，使气流在进口处就开始存在湍流边界层，以增加努赛尔数。4．结语如前所述，要解决励磁大整流柜晶闸管散热问题，其根本问题就是降低Rjc、Rcs、Rsa的值，由于Rjc由晶闸管生产厂家控制，我们所能改变的就只有Rcs和Rsa。降低接触热阻Rcs的途经是提高压接工艺和采用优质高导电率的热结合剂。降低散热器热阻Rsa值的途经比较多。但主要有三种：①提高风压风速；②改变冷却风流动状态；③增大散热器。改善整流柜散热效率常常受励磁装置现场环境、柜体结构和制作成本等因限制，因此必须综合考虑各方面因素，在保证总热阻Rtot部超标的前提下，尽可能选择更合

理更经济的散热方案。