选择语言:
News 产业资讯

IGCT器件是什么?

日期: 2020/4/20 9:23:20
浏览次数: 16

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。

IGCT器件是什么?

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。

IGCT器件是什么?

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。

 IGCT器件是什么?

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。

IGCT器件是什么?

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。

IGCT器件是什么?

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器件是什么?

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

版权归原作者所有,如涉及版权等问题,请联系删除。


  • 相关阅读: / News More
  • 点击次数: 9
    2020 - 07 - 15
    JEDEC固态技术协会今天将发布其下一个主流存储器标准DDR5 SDRAM的最终规范,这将标志着计算机存储器开发的一个重要里程碑。自90年代末以来,DDR的最新版本一直在驱动PC,服务器以及所有产品之间的发展,DDR5再次扩展了DDR内存的功能,使峰值内存速度提高了一倍,同时也大大增加了内存大小。预计到2021年,基于新标准的硬件将在服务器级别开始采用,然后再推广到客户端PC和其他设备。DDR5规范最初计划于2018年发布,今天的发布相对于JEDEC的原定计划有些落后,但并没有降低新存储器规范的重要性。像之前的DDR每次迭代一样,DDR5的主要重点再次是提高内存密度和速度。JEDEC希望将两者都提高一倍,最大内存速度设置为至少6.4Gbps,而单个封装的LRDIMM的容量最终将达到2TB。一直以来,存在一些较小的更改以支持这些目标或简化生态系统的某些方面,例如,DIMM上的电压调节器以及芯片上的ECC。变得更大:更密的内存和芯片堆叠我们首先简要介绍一下容量和密度,因为与DDR4相比,这是对标准最直接的更改。DDR5的设计时间跨度为数年,它将允许单个存储芯片达到64Gbit的密度,这比DDR4的最大16Gbit密度高出4倍。结合die堆叠,可以将多达8个管芯die为一个芯片,那么40个单元的LRDIMM可以达到2TB的有效存储容量。或者对于更不起眼的无缓冲DIMM,这意味着我们最终将看到典型双列配置的DIMM容量达到128GB。当然,当芯片制造赶上规范允许的范围时,DDR5规范的峰值容量将用于该标准生命周期的后期。首先,内存制造商将使用当今可达到的密度8Gbit和16Gbit芯片来构建其DIMM。因此,虽然DDR5的速度提升将是相当立即的,但是随着制造密度的提高,容量的提升将更加缓慢。更快:一个DIMM,两个通道DDR5的另一部分是关于再次增加内存带宽。每个人都希望获得更高的...
  • 点击次数: 5
    2020 - 06 - 30
    新兴的非易失性存储器(eNVM)在CMOS的基础上,拓展了应用范围。在几种选择中,相变存储器,自旋转移转矩随机存取存储器(STT-RAM)、电阻式随机存取存储器(RRAM),以及英特尔的Optane等是主要的新兴存储技术。尽管有COVID-19疫情影响,还有贸易争端,再有,英特尔的Optane DIMM延迟,以及许多其它负面影响因素,但新兴的存储市场仍将在未来十年中显着增长。由Objective Analysis和Coughlin Associates联合发布的最新报告“新兴存储找到了方向”表明,新兴存储技术正在迅速发展,到2030年的总收入将达到360亿美元。这是由两种动力驱动的:首先是当今领先的嵌入式存储技术SRAM和NOR闪存无法有效扩展到28nm以上,因此将被嵌入式磁阻RAM(MRAM)或其他技术取代;第二个因素是采用了英特尔的Optane DIMM,正式称为“ Optane DC持久存储模块”,它有望抢占服务器DRAM市场的大量份额。美光和英特尔推出了3D XPoint存储技术,其使用了一种相变技术,具有很高的耐用性,性能比NAND好得多,尽管它比DRAM慢一些,但密度比DRAM高。这些优点正在影响市场对传统DRAM的需求。英特尔于2017年推出了采用Optane技术(基于3D XPoint)的NVM SSD,并于2019年开始销售Optane DIMM模块。另外,磁性RAM(MRAM)和自旋隧道扭矩RAM(STT MRAM)开始取代NOR、SRAM以及部分DRAM。STT MRAM和MRAM的发展速度将促使其价格逐渐降低,并且假定其容量增加以降低生产成本(假设其容量增加,从而以高速和高耐久性的非易失性存储器替代易失性存储器,这些技术将具有很强的竞争力)。铁电RAM(FRAM)和某些RRAM技术具有某些利基应用,并且随着HfO FRAM的使用,可用于FRAM的利基...
  • 点击次数: 5
    2020 - 06 - 29
    【2020年6月28日 - 中国上海讯】全球电子技术领域的领先媒体集团 ASPENCORE今天在上海龙之梦万丽酒店隆重举办 “ 2020中国IC领袖峰会暨中国IC设计成就奖颁奖典礼”。本届峰会以“中国IC的‘危’与‘机’” 为主题,特邀中国半导体产业界最受瞩目的本土IC领袖,共话全球变局下中国IC设计产业面临的挑战与机遇,并与现场数百位资深设计工程师、管理精英和技术决策者共同探讨“中国芯”的突破和未来成长之道。同时,本届峰会还特别安排了实时全球视频直播。“自从2002年以来,我们已连续举办了18届中国IC领袖峰会。不忘初心,我们始终致力于推动中国半导体行业的发展,并借此表彰在2019年取得了突出成就的公司、团队和个人。”ASPENCORE亚太区总经理和总分析师张毓波表示。“我们清晰地意识到,在中美科技冷战和全球新冠疫情的大变局下,中国半导体产业的发展面临诸多挑战。然而,对很多中国本土IC设计公司来说,这些挑战的背后也预示着前所未有的机会。获得中国IC设计成就奖的企业、团队和个人都是成功掌控发展机遇和挑战的姣姣者,我向他们表示祝贺,并期望更多的本土IC设计公司脱颖而出,让中国半导体产业的发展更加健康且丰富多彩。”十八年来,通过对逾百万电子行业专业人士社群的持续调查,‘中国IC设计成就奖’一路伴随和见证了中国IC产业的成长与发展,是中国电子和半导体业界最受关注的技术奖项之一。本届颁奖典礼共颁发了四大类别的76个奖项,表彰引领技术创新、推动行业发展的企业、团队、管理者和产品。通过电子工程师、资深分析师和半导体业内人士公平、公正的投票评选产生,奖项及获奖者代表着行业的最高水准。此外,本届颁奖典礼还为入选EETimes Silicon 100榜单的中国IC设计公司颁发了奖杯。获奖公司、产品代表及个人合影2020中国 IC 设计成就奖获奖名单揭晓“2020年度中国 IC 设计成就奖”的...
  • 点击次数: 10
    2020 - 05 - 28
    半导体设备市场,处于整个半导体产业链的上游。无论是IDM,Fabless,还是Foundry,芯片元器件都要通过工厂制造才能体现出其现实价值和市场需求情况,而无论是制造,还是封测,都必须依赖相应的半导体设备。因此,半导体设备市场的出货和销售额,能够很客观地反映出芯片元器件市场的景气程度,泡沫较少,具有很高的参考价值。而从刚刚过去的4月份来看,以日本和美国为代表的全球半导体设备出货量都很乐观,总体来看,延续着2019 下半年以来的复苏势头。据日本半导体制造装置协会(SEAJ)初步统计,今年4月,日本半导体设备销售额较去年同期大增16.4%,连续第5个月增长,创17个月来最大增幅、销售额创19个月来(2018年9月以来)新高。2020年1-4月间,日本半导体设备累计销售额较去年同期增长9.6%。SEAJ在今年1月公布的预测报告指出,因期待存储器厂商的投资将回温,预估2020年度(2020年4月-2021年3月)日制半导体设备销售额将年增8.0%,至2兆2,311亿日元、优于前次(2019年7月)预估的2兆2,079亿日元;2021年度有望重回两位数增长,预估将年增12.0%,至2兆4,988亿日元、优于前次预估的2兆3,712亿日元。2018年度-2021年度的年均复合成长率(CAGR)预估为3.6%、高于前次预估的1.8%。可见,进入2020年以来,日本的半导体设备出货非常喜人,且看上去全年无忧。与此同时,另一大半导体设备出货地区——美国的情况也类似。据SEMI统计,4月份北美半导体设备制造商总营收为22.6亿美元,比3月份的22.1亿美元增长2.2%,比2019年4月的19.3亿美元增长17.2%。这已经是美国市场连续7个月保持在20亿美元之上。SEMI此前公布的数据显示,今年前两个月北美半导体设备制造商的销售额分别为23.4亿美元和23.7亿美元,前3个月的同比...
  • 点击次数: 28
    2020 - 05 - 27
    近期,因为美国利用长臂管理原则,对华为及海思的进一步制裁,引发了国内对芯片产业广泛关注。不少媒体对此进行广泛报道,行业人士也进行多方面解读,提出我国半导体要注重发展的几个方向:高端设计、EDA工具、先进制造工艺、核心光刻设备、半导体材料等,从上述几个方面对国内半导体行业发展出谋划策,热闹非凡。笔者在半导体行业从业多年,认为上述措施仅能解决国内芯片产业发展的短期硬环境,其实国内真正要高度重视的是长期软环境:人才环境、知识产权保护及长期的专注精神。 人才环境半导体行业是技术高度密集行业,需要大量的高端人才支撑。人才一方面是靠国外引进,一方面靠国内培养。与其他行业不同的是,半导体行业需要大量具有行业经验的资深技术、市场及运营人才,由于国内半导体行业真正市场化运作的时间并不长(第一家真正市场化运作的集成电路公司应该是1996年在上海设立的泰鼎微电子),大量人才还必须依靠从海外回来的资深专家,从近期上市或有影响力的集成电路相关企业领导人来看,如:武平(武岳峰)、陈大同(元禾璞华)、张鹏飞(上海博通)、张瑞安(乐鑫)、杨崇和(澜起)、尹志尧(中微)、戴伟民(芯原)、许志翰(卓胜)、陈南翔(华润)、赵立新(格科)、盛文军(泰凌)、李宝骐(磐启)等均是杰出的海外回国人才,他们对推动国内集成电路发展起到至关重要的作用,是国内半导体行业发展真正的推动者。国内半导体产业的发展任重道远,一旦中美完全脱钩,人才断流,对国内芯片产业向更高、更强的产业链顶端发展所起的负面影响是非常深远的,需要引起有关部门高度重视。 知识产权保护集成电路在半导体硅片上生产过程本质上属于一种图形刻蚀过程,通过一些特殊工具可以将硅片上所刻蚀的图片反向提取出来,如果已知原有工艺生产信息,则可以在相同的工艺上,将反向提取的图形重新进行刻蚀,从而制造出与原来芯片几乎相同的产品,这就是所谓的“抄片”,如果将上述产...
联系我们 关于我们 / contact us
重庆市南岸区南坪西路63号 中关村创客天下 二栋A207
023-62910096 或 023-62910596
86 0755-2788 8009
icipa@infoip.org
国家电子信息产业知识产权创新平台的建设依托工信部和国家工业信息安全发展研究中心的支持, 凭借北京纲正知识产权中心有限公司的专业技术和行业资源,努力打造成国家级知识产权综合性平台。该平台搭建完成后有助于知识产权改革与治理体系现代化,加速科研与技术创新、技术与资本有效对接、 创新成果与产业合理布局,服务“十三五”时期知识产权战略,推动我国知识产权强国建设。
Copyright ©2017 - 2018 国家电子信息产业知识产权创新平台西部分平台 京ICP备18044172号