关注｜直流电网有了“芯”选择！

功率半导体器件家族中的重要成员——IGCT 器件能够安全、可靠、经济、高效地实现高压大容量的能量转换，在柔性直流输电中展现出非常大的应用优势，有望成为直流电网的“芯”选择。

（来源：悦智网 微信公众号）

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。