來源：內容授權轉載自公眾號「悅智網」，作者：曾嶸、餘佔清等，謝謝。
一個普通而又平凡的清晨，你在舒適的空調溫度下醒來。打開冰箱，取出食物做一頓美美的早餐；解鎖充好電的手機，查看最新的資訊；來到公司後打開電腦，開啟一天的工作。電力悄無聲息地融入你的生活，伴你度過充實的一天。與此同時，來自火電、水電、核電以及風電、光伏發電的電能正被源源不斷地輸送到城市和鄉村，供給傳統的能源、機械、交通、製造產業，以及新興的通信、航天、醫療、材料等高技術產業使用。
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、大小各異的食物，其中高達75%以上的部分都必須由“廚師”進行修整和加工，經過“烹飪”之後才能由“粗電”變成“精電”，最終供擁有不同“口味”的設備使用，滿足複雜的用電需求。這位能夠實現電能變換和控制的核心“大廚”便是功率半導體器件。
功率半導體器件也稱電力電子器件，結合不同電路拓撲可以形成各類電力電子裝置，實現整流、逆變、變頻、調壓等功能。隨著功率半導體技術的不斷革新，從高壓輸電到城市用電，從工業變頻到醫療器械，從電動汽車的電機驅動到空調、冰箱等家用電器，再到手機、筆記本等數碼產品，功率半導體器件無處不在，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）器件作為功率半導體器件家族中的年輕成員於1997年首次被提出，展現出了巨大的發展潛力，正成為直流電網的“芯”選擇。
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IGCT器件的前世今生
回顧IGCT器件的發展史，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，經過隨後20多年的發展，已經形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產品，早期的大功率變流器幾乎全部採用晶閘管。半個世紀之後，晶閘管憑藉其無與倫比的大容量和可靠性、技術成熟性和價格優勢，依舊在大功率變頻調速、高壓直流輸電（HVDC）、柔性交流輸電（FACTS）等領域中廣泛應用。
到了20世紀70年代後期，晶閘管的一種派生器件——門極可關斷晶閘管（GTO）得到了快速發展。GTO是一種全控型器件，比傳統晶閘管具有更大的靈活性，被廣泛應用於軋鋼、軌道交通等需要大容量變頻調速的場合。但是由於GTO的驅動電路十分複雜且功耗很大，在關斷時還需要額外的吸收電路，因此隨著後來出現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80年代，以IGBT為代表的高速、全控型器件迅速發展。IGBT結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）驅動功率小、開關速度快以及雙極型晶體管（BJT）通態壓降低、載流能力大的優點。隨著IGBT不斷更新換代，其日漸成為現代電力電子技術的主流器件，特別是壓接式IGBT的出現，使其向大功率、高效率跨出一大步，已被廣泛應用於柔性直流輸電（VSC-HVDC）工程當中。
與此同時，通過對GTO 技術的改進，新一代可關斷晶閘管類器件IGCT於20世紀90年代問世。IGCT改進了GTO芯片，並利用新型低感封裝將驅動電路和芯片緊密集成到一體，顯示出比傳統GTO 更加顯著的優點：損耗低、開關速度快、容量密度大、可靠性高等。這些優點保證了IGCT 可以在維持較低成本的基礎上，安全、可靠、經濟、高效地用於高壓大容量功率變換領域，並在一些電力電子裝置中具有更為突出的優勢。
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我國突破IGCT器件新技術
自從IGCT誕生以來，由於其具有阻斷電壓高、容量大、通態損耗低、可靠性高等優點，在工業變頻調速、風電併網、軌道交通等領域廣泛應用。ABB公司針對中壓傳動領域的ACS系列變頻器以及針對風力發電領域的PCS系列換流器均採用IGCT作為開關器件，並於2017年研製成功了用於軌道交通供電的交交型模塊化多電平變換器（MMC）樣機；我國株洲中車時代電氣股份有限公司（現為株洲中車時代半導體有限公司）生產的IGCT器件也被大量應用於軌道交通領域。
近年來，在新能源輸送和大規模儲能的驅動下，直流電網在世界各國的發展勢不可擋。高壓大容量功率半導體器件作為MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等直流主幹網絡關鍵裝備的核心元件，是學術研究的前沿話題，也是產業應用的關注熱點。IGBT具有驅動功率小而且驅動電路簡單、開關速度快、耐壓高、電流大等優點，在柔性直流電網中得到了廣泛的應用。而事實上，儘管IGBT優勢突出，但是相比電流型器件，仍然存在通態壓降大、可靠性低、製造成本高等問題，具有很多改進的空間。尤其是在高壓大容量應用中，所使用的開關器件數量非常大，若能改進這些特性，進一步提高效率和可靠性、減小成本，將會具有很大的吸引力和應用前景。
而相比IGBT，IGCT具有更低的通態壓降、更高的可靠性以及更低的製造成本，並且結構緊湊、具有更高的阻斷電壓和通流的能力，有望改進IGBT在高壓大容量應用中的表現和性能。事實上，相比於交流電網應用，在柔性直流電網中，MMC、直流變壓器以及直流斷路器等關鍵設備均具有很多新的特點，例如MMC的開關頻率非常低、直流變壓器具有軟開關能力、直流斷路器僅需單次操作等。這些特點一定程度上將弱化IGCT開關速度慢等技術弱點，為IGCT在柔性直流電網中的應用帶來了巨大的契機。
清華大學電機系和能源互聯網研究院直流研究中心科研團隊從2015年開始，結合直流電網關鍵裝備的特性，圍繞IGCT物理機理模型、參數優化、性能調控及新型驅動等關鍵技術展開研究，攻克了IGCT直流電網應用的科學和技術難題，並與株洲中車時代電氣股份有限公司組成聯合研究團隊，成功研製出直流電網用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，並實現了多項直流電網工程應用。
研究團隊歷時5年時間，取得了眾多研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理機理模型，在秒級時間範圍內完成開通、關斷仿真，為IGCT的參數優化和性能調控奠定了理論基礎；（2）提出了GCT芯片的參數優化及性能調控方法，降低了電流不均勻分佈係數，關斷能力得到較大幅度提升；（3）提出了GCT芯片的關鍵製備工藝優化方案和缺陷檢測方法；（4）提出了GCT新型門極驅動方案，大幅提高IGCT器件在直流電網應用中的可靠性；（5）聯合株洲中車時代電氣股份有限公司成功研製了直流電網用4500V/5000A IGCT-Plus器件，開展了系統性測試驗證，IGCT-Plus在安全性、可靠性、成本和效率等方面具有顯著優勢。經中國電機工程學會組織的科技成果鑑定，研製的器件具有完全自主知識產權，在機理模型、性能調控方法、門極驅動等方面達到國際領先水平。對於實現直流電網中的高可靠、低成本、高效率的電壓和功率變換，推動高壓大容量半導體器件及電力電子裝備的自主化具有重大的戰略意義。
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IGCT器件在直流電網領域大有可為
在突破IGCT器件新技術的同時，研究團隊對於IGCT器件在直流電網中的應用前景進行了系統地分析和展望，同步研製了一系列關鍵設備，並在示範工程及電網試驗平臺中得到了應用。
當前直流電網中的關鍵設備（如MMC、直流斷路器、直流變壓器、直流耗能裝置等）相對於交流電網中的電力電子設備具有很多新特性，這為IGCT的應用提供了契機。研究團隊結合這些關鍵設備的內在特性，提出了基於IGCT的創新方案，並系統論證了其可行性以及技術經濟優勢。分析表明，基於IGCT的新型設備在安全防爆、故障處理、轉換效率、功率密度、製造成本以及可靠性等方面均具有突出的優勢，使其在直流電網中的應用具備巨大的潛力。
在2018年12月投運的珠海“互聯網+”智慧能源示範工程中，雞山換流站的10kV/10MW MMC應用了研究團隊提出的IGCT交叉鉗位方案，這是國產IGCT器件在柔性直流輸電換流閥中的首次亮相。現已穩定運行一年多，為IGCT器件特性的研究和改進提供了寶貴的數據和經驗。在正在建設中的東莞交直流混合配電網工程中，應用了基於IGCT-Plus研發的±375V固態式直流斷路器，實現了國產IGCT-Plus器件在固態式直流斷路器中的首次應用。
近期，研究團隊研製成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，並且已應用於雄安智慧物聯直流共享實驗室的中低壓直流配電網試驗平臺，這是世界首臺採用IGCT-Plus作為主開關器件的柔性直流輸電換流閥。研究團隊研製的基於IGCT-Plus的160kV直流耗能裝置也成功通過第三方見證實驗，該裝置中開關頻率達到500Hz，電流達到1500A，為進一步深化研究和創新應用拓展了新的思路和方向。
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IGCT器件將帶來顯著的經濟和社會效益
由於IGCT器件製造工藝大多沿用晶閘管路線，成品率高，製造成本低；尤其是具有強大的抗爆能力，安全性高；此外器件結構簡單，可靠性高，運維成本低；加之損耗較低，節能成本顯著。因此，相對於壓接式 IGBT，IGCT在低頻大功率應用領域表現出更好的經濟性，若能在直流電網中大規模應用，將取得顯著的經濟效益。
在此基礎上發展基於IGCT的柔性直流輸配電技術，將有利於加快實現全國範圍內和各區域輸電網絡柔性互聯，推動我國能源結構清潔轉型和能源消費革命，並將對我國未來電網格局產生重大影響。
高壓大容量功率半導體器件一直是限制直流電網裝備發展的關鍵瓶頸。在全球直流電網發展勢不可擋的背景下，具有安全、可靠、經濟、高效等優勢的IGCT器件有望成為直流電網關鍵裝備核心器件的新選擇，對推動我國功率半導體器件和高端電力裝備等行業的自主創新能力、提升國際市場競爭力和影響力具有重要意義。
本文刊登於IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2020年2月刊。
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