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，取出食物做一顿美美的早餐；解锁充好电的手机，查看最新的资讯；来到公司后打开电脑，开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活，伴你度过充实的一天。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输送到城市和乡村，供给传统的能源、机械、交通、制造产业，以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。
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、大小各异的食物，其中高达75%以上的部分都必须由“厨师”进行修整和加工，经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”，最终供拥有不同“口味”的设备使用，满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“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类电力电子装置，实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断革新，从高压输电到城市用电，从工业变频到医疗器械，从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器，再到手机、笔记本等数码产品，功率半导体器件无处不在，与我们的生活密不可分。其中，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年首次被提出，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，要从晶闸管说起。晶闸管自从1957年在美国通用公司诞生以来，经过随后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几乎全部采用晶闸管。半个世纪之后，晶闸管凭借其无与伦比的大容量和可靠性、技术成熟性和价格优势，依旧在大功率变频调速、高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电（FACTS）等领域中广泛应用。
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活性，被广泛应用于轧钢、轨道交通等需要大容量变频调速的场合。但是由于GTO的驱动电路十分复杂且功耗很大，在关断时还需要额外的吸收电路，因此随着后来出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、开关速度快以及双极型晶体管（BJT）通态压降低、载流能力大的优点。随着IGBT不断更新换代，其日渐成为现代电力电子技术的主流器件，特别是压接式IGBT的出现，使其向大功率、高效率跨出一大步，已被广泛应用于柔性直流输电（VSC-HVDC）工程当中。与此同时，通过对GTO 技术的改进，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、开关速度快、容量密度大、可靠性高等。这些优点保证了IGCT 可以在维持较低成本的基础上，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优势。
我国突破IGCT器件新技术
自从IGCT诞生以来，由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高等优点，在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛应用。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系列换流器均采用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；我国株洲中车时代电气股份有限公司（现为株洲中车时代半导体有限公司）生产的IGCT器件也被大量应用于轨道交通领域。
近年来，在新能源输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，也是产业应用的关注热点。IGBT具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快、耐压高、电流大等优点，在柔性直流电网中得到了广泛的应用。而事实上，尽管IGBT优势突出，但是相比电流型器件，仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题，具有很多改进的空间。尤其是在高压大容量应用中，所使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、减小成本，将会具有很大的吸引力和应用前景。
而相比IGBT，IGCT具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流的能力，有望改进IGBT在高压大容量应用中的表现和性能。事实上，相比于交流电网应用，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、直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点一定程度上将弱化IGCT开关速度慢等技术弱点，为IGCT在柔性直流电网中的应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心科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，围绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技术展开研究，攻克了IGCT直流电网应用的科学和技术难题，并与株洲中车时代电气股份有限公司组成联合研究团队，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应用。
研究团队历时5年时间，取得了众多研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理机理模型，在秒级时间范围内完成开通、关断仿真，为IGCT的参数优化和性能调控奠定了理论基础；（2）提出了GCT芯片的参数优化及性能调控方法，降低了电流不均匀分布系数，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缺陷检测方法；（4）提出了GCT新型门极驱动方案，大幅提高IGCT器件在直流电网应用中的可靠性；（5）联合株洲中车时代电气股份有限公司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、成本和效率等方面具有显著优势。经中国电机工程学会组织的科技成果鉴定，研制的器件具有完全自主知识产权，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。对于实现直流电网中的高可靠、低成本、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战略意义。
IGCT器件在直流电网领域大有可为
在突破IGCT器件新技术的同时，研究团队对于IGCT器件在直流电网中的应用前景进行了系统地分析和展望，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应用。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）相对于交流电网中的电力电子设备具有很多新特性，这为IGCT的应用提供了契机。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术经济优势。分析表明，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、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的优势，使其在直流电网中的应用具备巨大的潜力。在2018年12月投运的珠海“互联网+”智慧能源示范工程中，鸡山换流站的10kV/10MW MMC应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提供了宝贵的数据和经验。在正在建设中的东莞交直流混合配电网工程中，应用了基于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应用。
近期，研究团队研制成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，并且已应用于雄安智慧物联直流共享实验室的中低压直流配电网试验平台，这是世界首台采用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应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，制造成本低；尤其是具有强大的抗爆能力，安全性高；此外器件结构简单，可靠性高，运维成本低；加之损耗较低，节能成本显著。因此，相对于压接式 IGBT，IGCT在低频大功率应用领域表现出更好的经济性，若能在直流电网中大规模应用，将取得显著的经济效益。在此基础上发展基于IGCT的柔性直流输配电技术，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，推动我国能源结构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直是限制直流电网装备发展的关键瓶颈。在全球直流电网发展势不可挡的背景下，具有安全、可靠、经济、高效等优势的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重要意义。本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年2月刊。
文章来源于悦智网 ，作者曾嵘、余占清等
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