IGCT器件是什么？

一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，取出食品做一顿美美的早餐；解锁充好电的手机，查看最新的资讯；来到公司后打开电脑，开启一天的事情。

电力悄无声息地融入你的生活，伴你度过充足的一天。
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运送到城市和村落庄，供给传统的能源、机器、交通、制造家当，以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技能家当利用。

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、大小互异的食品，个中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工，经由“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”，终极供拥有不同“口味”的设备利用，知足繁芜的用电需求。
这位能够实现电能变换和掌握的核心“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种电力电子装置，实现整流、逆变、变频、调压等功能。
随着功率半导体技能的不断改造，从高压输电到城市用电，从工业变频到医疗东西，从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器，再得手机、条记本等数码产品，功率半导体器件无处不在，与我们的生活密不可分。
个中，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岁首年月次被提出，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，要从晶闸管提及。
晶闸管自从1957年在美国通用公司出身以来，经由随后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险些全部采取晶闸管。
半个世纪之后，晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技能成熟性和价格上风，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性互换输电（FACTS）等领域中广泛运用。

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巧性，被广泛运用于轧钢、轨道交通等须要大容量变频调速的场合。
但是由于GTO的驱动电路十分繁芜且功耗很大，在关断时还须要额外的接管电路，因此随着后来涌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、开关速率快以及双极型晶体管（BJT）通态压降落、载流能力大的优点。
随着IGBT不断更新换代，其日渐成为当代电力电子技能的主流器件，特殊是压接式IGBT的涌现，使其向大功率、高效率跨出一大步，已被广泛运用于柔性直流输电（VSC-HVDC）工程当中。

与此同时，通过对GTO 技能的改进，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、开关速率快、容量密度大、可靠性高档。
这些优点担保了IGCT 可以在坚持较低本钱的根本上，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上风。

━━━━

我国打破IGCT器件新技能

自从IGCT出身以来，由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高档优点，在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛运用。
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系列换流器均采取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；我国株洲中车时期电气株式会社（现为株洲中车时期半导体有限公司）生产的IGCT器件也被大量运用于轨道交通领域。

近年来，在新能源运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，也是家当运用的关注热点。
IGBT具有驱动功率小而且驱动电路大略、开关速率快、耐压高、电流大等优点，在柔性直流电网中得到了广泛的运用。
而事实上，只管IGBT上风突出，但是比较电流型器件，仍旧存在通态压降大、可靠性低、制造本钱高档问题，具有很多改进的空间。
尤其是在高压大容量运用中，所利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、减小本钱，将会具有很大的吸引力和运用前景。

而比较IGBT，IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造本钱，并且构造紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力，有望改进IGBT在高压大容量运用中的表现和性能。
事实上，比较于互换电网运用，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、直流变压用具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。
这些特点一定程度年夜将弱化IGCT开关速率慢等技能弱点，为IGCT在柔性直流电网中的运用带来了巨大的契机。

清华大学电机系和能源互联网研究院直流研究中央科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，环绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技能展开研究，占领了IGCT直流电网运用的科学和技能难题，并与株洲中车时期电气株式会社组成联合研究团队，成功研制出直流电网用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并实现了多项直流电网工程运用。

研究团队历时5年韶光，取得了浩瀚研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理机理模型，在秒级韶光范围内完成开通、关断仿真，为IGCT的参数优化和性能调控奠定了理论根本；（2）提出了GCT芯片的参数优化及性能调控方法，降落了电流不屈均分布系数，关断能力得到较大幅度提升；（3）提出了GCT芯片的关键制备工艺优化方案和毛病检测方法；（4）提出了GCT新型门极驱动方案，大幅提高IGCT器件在直流电网运用中的可靠性；（5）联合株洲中车时期电气株式会社成功研制了直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus器件，开展了系统性测试验证，IGCT-Plus在安全性、可靠性、本钱和效率等方面具有显著上风。
经中国电机工程学会组织的科技成果鉴定，研制的器件具有完备自主知识产权，在机理模型、性能调控方法、门极驱动等方面达到国际领先水平。
对付实现直流电网中的高可靠、低本钱、高效率的电压和功率变换，推动高压大容量半导体器件及电力电子装备的自主化具有重大的计策意义。

━━━━

IGCT器件在直流电网领域大有可为

在打破IGCT器件新技能的同时，研究团队对付IGCT器件在直流电网中的运用前景进行了系统地剖析和展望，同步研制了一系列关键设备，并在示范工程及电网试验平台中得到了运用。

当前直流电网中的关键设备（如MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等）相对付互换电网中的电力电子设备具有很多新特性，这为IGCT的运用供应了契机。
研究团队结合这些关键设备的内在特性，提出了基于IGCT的创新方案，并系统论证了其可行性以及技能经济上风。
剖析表明，基于IGCT的新型设备在安全防爆、故障处理、转换效率、功率密度、制造本钱以及可靠性等方面均具有突出的上风，使其在直流电网中的运器具备巨大的潜力。

在2018年12月投运的珠海“互联网+”聪慧能源示范工程中，鸡山换流站的10kV/10MW MMC运用了研究团队提出的IGCT交叉钳位方案，这是国产IGCT器件在柔性直流输电换流阀中的首次亮相。
现已稳定运行一年多，为IGCT器件特性的研究和改进供应了宝贵的数据和履历。
在正在培植中的东莞交直流稠浊配电网工程中，运用了基于IGCT-Plus研发的375V固态式直流断路器，实现了国产IGCT-Plus器件在固态式直流断路器中的首次运用。

近期，研究团队研制成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，并且已运用于雄安聪慧物联直流共享实验室的中低压直流配电网试验平台，这是天下首台采取IGCT-Plus作为主开关器件的柔性直流输电换流阀。
研究团队研制的基于IGCT-Plus的160kV直流耗能装置也成功通过第三方见证实验，该装置中开关频率达到500Hz，电流达到1500A，为进一步深化研究和创新运用拓展了新的思路和方向。

━━━━

IGCT器件将带来显著的经济和社会效益

由于IGCT器件制造工艺大多沿用晶闸管路线，成品率高，制造本钱低；尤其是具有强大的抗爆能力，安全性高；此外器件构造大略，可靠性高，运维本钱低；加之损耗较低，节能本钱显著。
因此，相对付压接式 IGBT，IGCT在低比年夜功率运用领域表现出更好的经济性，若能在直流电网中大规模运用，将取得显著的经济效益。

在此根本上发展基于IGCT的柔性直流输配电技能，将有利于加快实现全国范围内和各区域输电网络柔性互联，推动我国能源构造清洁转型和能源消费革命，并将对我国未来电网格局产生重大影响。

高压大容量功率半导体器件一贯是限定直流电网装备发展的关键瓶颈。
在环球直流电网发展势不可挡的背景下，具有安全、可靠、经济、高效等上风的IGCT器件有望成为直流电网关键装备核心器件的新选择，对推动我国功率半导体器件和高端电力装备等行业的自主创新能力、提升国际市场竞争力和影响力具有主要意义。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年2月刊。

免责声明：本文由作者原创。
文章内容系作者个人不雅观点，半导体行业不雅观察转载仅为了传达一种不同的不雅观点，不代表半导体行业不雅观察对该不雅观点赞许或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业不雅观察。

本日是《半导体行业不雅观察》为您分享的第2283期内容，欢迎关注。

★比亚迪的芯片实力

★中芯国际的14nm机会

★海内发展Nor Flash正当时

NAND Flash｜华为｜CMOS｜蓝牙｜FPGA｜晶圆｜苹果｜射频｜日本