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。
（來源：悅智網(wǎng) 微信公眾號(hào)）
個(gè)普通而又平凡的清晨，你在舒適的空調(diào)溫度下醒來。打開冰箱，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；來到公司后打開電腦，開啟一天的工作。電力悄無聲息地融入你的生活，伴你度過充實(shí)的一天。與此同時(shí)，來自火電、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“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)體器件無處不在，與我們的生活密不可分。其中，集成門極換流晶閘管（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shou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，要從晶閘管說起。晶閘管自從1957年在美國通用公司誕生以來，經(jīng)過隨后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yu倫bi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xin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)。
我國突破IGCT器件新技術(shù)
自從IGCT誕生以來，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)；我國株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司（現(xiàn)為株洲中車時(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，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)電路簡單、開關(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的開關(guān)頻率非常低、直流變壓器具有軟開關(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)用帶來了巨大的契機(jī)。
