IGCT器件的前世今生

功率半導(dǎo)體器件家族中的重要成員——IGCT 器件能夠安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效地實(shí)現(xiàn)高壓大容量的能量轉(zhuǎn)換，在柔性直流輸電中展現(xiàn)出非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有望成為直流電網(wǎng)的“芯”選擇。

一個(gè)普通而又平凡的清晨，你在舒適的空調(diào)溫度下醒來(lái)。打開(kāi)冰箱，取出食物做一頓美美的早餐；解鎖充好電的手機(jī)，查看最新的資訊；來(lái)到公司后打開(kāi)電腦，開(kāi)啟一天的工作。電力悄無(wú)聲息地融入你的生活，伴你度過(guò)充實(shí)的一天。與此同時(shí)，來(lái)自火電、水電、核電以及風(fēng)電、光伏發(fā)電的電能正被源源不斷地輸送到城市和鄉(xiāng)村，供給傳統(tǒng)的能源、機(jī)械、交通、制造產(chǎn)業(yè)，以及新興的通信、航天、醫(yī)療、材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)使用。但是，來(lái)自不同源頭電能的電壓、頻率各不相同，它們就像形態(tài)、大小各異的食物，其中高達(dá)75%以上的部分都必須由“廚師”進(jìn)行修整和加工，經(jīng)過(guò)“烹飪”之后才能由“粗電”變成“精電”，最終供擁有不同“口味”的設(shè)備使用，滿足復(fù)雜的用電需求。這位能夠?qū)崿F(xiàn)電能變換和控制的核心“大廚”便是功率半導(dǎo)體器件。功率半導(dǎo)體器件也稱電力電子器件，結(jié)合不同電路拓?fù)淇梢孕纬筛黝愲娏﹄娮友b置，實(shí)現(xiàn)整流、逆變、變頻、調(diào)壓等功能。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷革新，從高壓輸電到城市用電，從工業(yè)變頻到醫(yī)療器械，從電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)到空調(diào)、冰箱等家用電器，再到手機(jī)、筆記本等數(shù)碼產(chǎn)品，功率半導(dǎo)體器件無(wú)處不在，與我們的生活密不可分。其中，集成門(mén)極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）器件作為功率半導(dǎo)體器件家族中的年輕成員于1997年首次被提出，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?，正成為直流電網(wǎng)的“芯”選擇。

IGCT器件的前世今生

回顧IGCT器件的發(fā)展史，要從晶閘管說(shuō)起。晶閘管自從1957年在美國(guó)通用公司誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)隨后20多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品，早期的大功率變流器幾乎全部采用晶閘管。半個(gè)世紀(jì)之后，晶閘管憑借其無(wú)與倫比的大容量和可靠性、技術(shù)成熟性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，依舊在大功率變頻調(diào)速、高壓直流輸電（HVDC）、柔性交流輸電（FACTS）等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。到了20世紀(jì)70年代后期，晶閘管的一種派生器件——門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）得到了快速發(fā)展。GTO是一種全控型器件，比傳統(tǒng)晶閘管具有更大的靈活性，被廣泛應(yīng)用于軋鋼、軌道交通等需要大容量變頻調(diào)速的場(chǎng)合。但是由于GTO的驅(qū)動(dòng)電路十分復(fù)雜且功耗很大，在關(guān)斷時(shí)還需要額外的吸收電路，因此隨著后來(lái)出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、IGCT等器件性能不斷提升，GTO逐漸被取代。

在20世紀(jì)80年代，以IGBT為代表的高速、全控型器件迅速發(fā)展。IGBT結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快以及雙極型晶體管（BJT）通態(tài)壓降低、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)。隨著IGBT不斷更新?lián)Q代，其日漸成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主流器件，特別是壓接式IGBT的出現(xiàn)，使其向大功率、高效率跨出一大步，已被廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電（VSC-HVDC）工程當(dāng)中。

與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)GTO 技術(shù)的改進(jìn)，新一代可關(guān)斷晶閘管類器件IGCT于20世紀(jì)90年代問(wèn)世。IGCT改進(jìn)了GTO芯片，并利用新型低感封裝將驅(qū)動(dòng)電路和芯片緊密集成到一體，顯示出比傳統(tǒng)GTO 更加顯著的優(yōu)點(diǎn)：損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、容量密度大、可靠性高等。這些優(yōu)點(diǎn)保證了IGCT 可以在維持較低成本的基礎(chǔ)上，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效地用于高壓大容量功率變換領(lǐng)域，并在一些電力電子裝置中具有更為突出的優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)突破IGCT器件新技術(shù)

自從IGCT誕生以來(lái)，由于其具有阻斷電壓高、容量大、通態(tài)損耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)變頻調(diào)速、風(fēng)電并網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。ABB公司針對(duì)中壓傳動(dòng)領(lǐng)域的ACS系列變頻器以及針對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的PCS系列換流器均采用IGCT作為開(kāi)關(guān)器件，并于2017年研制成功了用于軌道交通供電的交交型模塊化多電平變換器（MMC）樣機(jī)；我國(guó)株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車(chē)時(shí)代半導(dǎo)體有限公司）生產(chǎn)的IGCT器件也被大量應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。

近年來(lái)，在新能源輸送和大規(guī)模儲(chǔ)能的驅(qū)動(dòng)下，直流電網(wǎng)在世界各國(guó)的發(fā)展勢(shì)不可擋。高壓大容量功率半導(dǎo)體器件作為MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等直流主干網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵裝備的核心元件，是學(xué)術(shù)研究的前沿話題，也是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)注熱點(diǎn)。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，在柔性直流電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而事實(shí)上，盡管IGBT優(yōu)勢(shì)突出，但是相比電流型器件，仍然存在通態(tài)壓降大、可靠性低、制造成本高等問(wèn)題，具有很多改進(jìn)的空間。尤其是在高壓大容量應(yīng)用中，所使用的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量非常大，若能改進(jìn)這些特性，進(jìn)一步提高效率和可靠性、減小成本，將會(huì)具有很大的吸引力和應(yīng)用前景。

而相比IGBT，IGCT具有更低的通態(tài)壓降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且結(jié)構(gòu)緊湊、具有更高的阻斷電壓和通流的能力，有望改進(jìn)IGBT在高壓大容量應(yīng)用中的表現(xiàn)和性能。事實(shí)上，相比于交流電網(wǎng)應(yīng)用，在柔性直流電網(wǎng)中，MMC、直流變壓器以及直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備均具有很多新的特點(diǎn)，例如MMC的開(kāi)關(guān)頻率非常低、直流變壓器具有軟開(kāi)關(guān)能力、直流斷路器僅需單次操作等。這些特點(diǎn)一定程度上將弱化IGCT開(kāi)關(guān)速度慢等技術(shù)弱點(diǎn)，為IGCT在柔性直流電網(wǎng)中的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的契機(jī)。

清華大學(xué)電機(jī)系和能源互聯(lián)網(wǎng)研究院直流研究中心科研團(tuán)隊(duì)從2015年開(kāi)始，結(jié)合直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備的特性，圍繞IGCT物理機(jī)理模型、參數(shù)優(yōu)化、性能調(diào)控及新型驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，攻克了IGCT直流電網(wǎng)應(yīng)用的科學(xué)和技術(shù)難題，并與株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出直流電網(wǎng)用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)直流電網(wǎng)工程應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年時(shí)間，取得了眾多研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理機(jī)理模型，在秒級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)完成開(kāi)通、關(guān)斷仿真，為IGCT的參數(shù)優(yōu)化和性能調(diào)控奠定了理論基礎(chǔ)；（2）提出了GCT芯片的參數(shù)優(yōu)化及性能調(diào)控方法，降低了電流不均勻分布系數(shù)，關(guān)斷能力得到較大幅度提升；（3）提出了GCT芯片的關(guān)鍵制備工藝優(yōu)化方案和缺陷檢測(cè)方法；（4）提出了GCT新型門(mén)極驅(qū)動(dòng)方案，大幅提高IGCT器件在直流電網(wǎng)應(yīng)用中的可靠性；（5）聯(lián)合株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司成功研制了直流電網(wǎng)用4500V/5000A IGCT-Plus器件，開(kāi)展了系統(tǒng)性測(cè)試驗(yàn)證，IGCT-Plus在安全性、可靠性、成本和效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。經(jīng)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)組織的科技成果鑒定，研制的器件具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在機(jī)理模型、性能調(diào)控方法、門(mén)極驅(qū)動(dòng)等方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。對(duì)于實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)中的高可靠、低成本、高效率的電壓和功率變換，推動(dòng)高壓大容量半導(dǎo)體器件及電力電子裝備的自主化具有重大的戰(zhàn)略意義。

IGCT器件在直流電網(wǎng)領(lǐng)域大有可為

在突破IGCT器件新技術(shù)的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于IGCT器件在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和展望，同步研制了一系列關(guān)鍵設(shè)備，并在示范工程及電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)中得到了應(yīng)用。當(dāng)前直流電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備（如MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等）相對(duì)于交流電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備具有很多新特性，這為IGCT的應(yīng)用提供了契機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合這些關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)在特性，提出了基于IGCT的創(chuàng)新方案，并系統(tǒng)論證了其可行性以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。分析表明，基于IGCT的新型設(shè)備在安全防爆、故障處理、轉(zhuǎn)換效率、功率密度、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的優(yōu)勢(shì)，使其在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用具備巨大的潛力。在2018年12月投運(yùn)的珠?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源示范工程中，雞山換流站的10kV/10MW MMC應(yīng)用了研究團(tuán)隊(duì)提出的IGCT交叉鉗位方案，這是國(guó)產(chǎn)IGCT器件在柔性直流輸電換流閥中的首次亮相。現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行一年多，為IGCT器件特性的研究和改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。在正在建設(shè)中的東莞交直流混合配電網(wǎng)工程中，應(yīng)用了基于IGCT-Plus研發(fā)的±375V固態(tài)式直流斷路器，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)IGCT-Plus器件在固態(tài)式直流斷路器中的首次應(yīng)用。

近期，研究團(tuán)隊(duì)研制成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，并且已應(yīng)用于雄安智慧物聯(lián)直流共享實(shí)驗(yàn)室的中低壓直流配電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，這是世界首臺(tái)采用IGCT-Plus作為主開(kāi)關(guān)器件的柔性直流輸電換流閥。研究團(tuán)隊(duì)研制的基于IGCT-Plus的160kV直流耗能裝置也成功通過(guò)第三方見(jiàn)證實(shí)驗(yàn)，該裝置中開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到500Hz，電流達(dá)到1500A，為進(jìn)一步深化研究和創(chuàng)新應(yīng)用拓展了新的思路和方向。

IGCT器件將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

由于IGCT器件制造工藝大多沿用晶閘管路線，成品率高，制造成本低；尤其是具有強(qiáng)大的抗爆能力，安全性高；此外器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，運(yùn)維成本低；加之損耗較低，節(jié)能成本顯著。因此，相對(duì)于壓接式 IGBT，IGCT在低頻大功率應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)性，若能在直流電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用，將取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在此基礎(chǔ)上發(fā)展基于IGCT的柔性直流輸配電技術(shù)，將有利于加快實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)和各區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)柔性互聯(lián)，推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)清潔轉(zhuǎn)型和能源消費(fèi)革命，并將對(duì)我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)格局產(chǎn)生重大影響。高壓大容量功率半導(dǎo)體器件一直是限制直流電網(wǎng)裝備發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。在全球直流電網(wǎng)發(fā)展勢(shì)不可擋的背景下，具有安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)勢(shì)的IGCT器件有望成為直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備核心器件的新選擇，對(duì)推動(dòng)我國(guó)功率半導(dǎo)體器件和高端電力裝備等行業(yè)的自主創(chuàng)新能力、提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和影響力具有重要意義。