大功率半导体应用正不断向更高功率等级发展。与此同时，成本压力也与日俱增。高压 IGCT 能够显著提高这些应用设计的成本效益，例如，通过减少 MMC(模块化多电平换流器)拓扑结构中串联子模块的数量。新平台采用了最新技术，在高达 8.5 kV 的耐压等级下实现了前所未有的关断能力。此外，IGCT 电路在换流器保护方面具有优势，例如故障限流、短路故障模式(SCFM)以及防爆壳设计。

功率半导体广泛应用于许多要求苛刻的高功率应用领域，如高压直流输电(HVDC)、中压变频器、海上风力发电机或铁路互联装置。对于这些应用，发展趋势是向更高的电压和电流等级迈进。新型 IGCT 平台具有高达 8.5 kV 的电压等级以及出色的热特性和动态特性，能够满足这些严苛的要求。凭借其坚固且密封的外壳，IGCT 能够应对苛刻的保护要求。

IGCT 功率处理能力的可扩展性

IGCT 是一种成熟的器件，应用于要求极高的领域，如工业电机驱动、海上风力发电机和铁路供电，所有这些应用都要求最高的可用性、效率和功率处理能力的可扩展性。IGCT 技术正在不断发展，以支持具有更高电流和电压等级的更高功率应用。

目前现场大多数应用中使用的 IGCT 是 L 型、逆导型(RC)或非对称型(AS)IGCT，其极片直径为 85 mm，阻断电压为 4.5 kV 或 6.5 kV。较小功率需求可以使用 RC-IGCT 来满足。为提高功率处理能力，可以采用带有分立反并联续流二极管的 AS-IGCT，或者增大器件面积。

对于功率需求最高的应用，需要更大面积的器件。日立能源公司正在开发一种极片直径为 138 mm 的器件平台。开发活动聚焦于具有 6.5 kV 和 8.5 kV 阻断能力的高压器件。高压器件具有若干优势，特别是对于使用多电平拓扑的应用。

通过应用高压 IGCT，这些应用可以采用数量更少的串联多电平子模块进行设计，从而降低成本。表 1 概述了日立能源 85 mm 和 138 mm IGCT 平台的均方根电流(RMS)和关断电流能力。

表1

器件设计

IGCT 器件由三个紧密配合的部分组成：半导体、外壳和门极单元。根据器件面积扩展电流处理能力是一个众所周知的挑战(例如，参考文献 [5])。目前，最先进的技术是在 150 mm("6 英寸")硅晶圆上制造单个 IGCT 器件(例如，参考文献 [1] 至 [4])。考虑到由于晶圆定位边(flat)和定位槽(notch)、生产余量以及结终端而损失的晶圆面积，可用于有源冷却器件区域的面积大约为 150 cm²。

采用水冷和合理的泵送能力，即使在与 IGCT 开关共享面积的逆导型 IGCT 中，该器件面积也代表着巨大的功率处理能力，适用于最高功率的应用。本文介绍了 AGCT / ADiode ≈ 1.35 的 RC-IGCT 的结果。面积比的选择最终取决于客户的需求，不同应用的需求会有所不同。计划对不同面积比的 RC-IGCT 进行测试。

此处描述的平台相较于 2014 年发布的平台 [2] 有所改进。晶圆开关部分的 GCT 段布局已根据最新技术进行了调整 [6]，并且二极管配备了分段阴极 [7] 以改善开关行为。此外，通过应用已针对较小尺寸器件提出的高压垂直设计 [8]，该平台在更高电压下的性能得到了提升。为了满足高压(≥ 6500 V)分支预期增加的绝缘要求，外壳高度增加到了 35 mm。

在可控电流的扩展方面，AS-IGCT 面临挑战，因为门极电路的物理尺寸增大，这是开关有源区面积增加不可避免的结果。为了弥补这一点，研究正在探索使用改进的门极电路来测试最大可控电流。

逆导型(RC)6.5 kV 和 8.5 kV

6.5 kV 和 8.5 kV RC-IGCT 原型器件的测试均超出了最大电流可控性(MCC)的要求。对 MCC 要求的评估源于应用仿真，仿真结果表明性能限制主要来自结温(Tvj)，而非 MCC。图 1 显示了两种电压等级的波形，开关电流超过了预期的 MCC 额定值。

图1

相应的损耗权衡曲线如图 2 所示。

图2

非对称型(AS)IGCT 展望

在技术开发过程中，追求最大挑战是合理的。因此，首批原型系列选择了 4.5 kV 和 6.5 kV 电压等级。预计电流可控性极限将由门极电路阻抗或其电流能力决定。

目标是验证 4.5 kV AS-IGCT 具有显著高于 10 kA 的电流可控性，理想情况下超过 14 kA。同时，AS-IGCT 原型系列的测试也旨在更清晰地了解器件哪个方面构成了限制。然而，如上所述，目前仅能获得较低电流下的结果。图 3 显示了这样一个示例波形。

图3

应用

概述

IGCT 用于高功率应用。由于 IGCT 基于晶闸管结构，该器件可以针对最低通态损耗进行定制，从而成为低频应用(如直流断路器 [9] 或 MMC 拓扑 [10])在系统损耗方面的完美匹配。

开通 dI/dt 控制通过 dI/dt 电抗器结合箝位电路实现。这导致 IGCT 的开通损耗几乎完全消除。此外，在器件或系统故障情况下，dI/dt 电抗器限制了故障电流峰值，因此可以防止外壳破裂和严重损坏。结合压接式器件封装的短路故障模式(SCFM)能力，IGCT 在使用 MMC 拓扑的应用中提供了显著优势。

用于启动的无供电 dV/dt 能力

带有供电门极单元的 IGCT 在阻断状态下显示出卓越的 dV/dt 能力。在 dV/dt 事件期间，位移电流通过门极以及门极单元中极低电感的门极路径被抽出。这防止了晶闸管结构的闩锁，即使在 dV/dt 高于 10 kV/μs 的情况下也是如此。

在 MMC 等应用中，控制器和门极单元的辅助电源通常从直流母线电容电压中产生。在系统启动期间，在电容器充电到一定电压之前，辅助电源最初不可用。

对于未供电的门极单元，在 dV/dt 事件期间，无法通过门极单元抽出位移电流。在这种情况下，位移电流的抽出通过阳极短路来实现，这一点在 GTO 中也是众所周知的。在此状态下，dV/dt 能力明显低于有供电的门极单元。无门极单元时，4.5 kV 和 6.5 kV IGCT 的 dV/dt 能力如图 4 所示。

图4

IGCT 的 dV/dt 能力强烈依赖于温度(温度越低，dV/dt 能力越高)。在系统启动期间，功率半导体处于冷却水温度。由于系统上电期间的电压上升通常是受限制的，无供电的 IGCT 可以轻松应对直流母线电容电压足够高以提供辅助电源之前的时段。

结论

· IGCT 提供了极好的电压和面积可扩展性。

· 针对多种电压等级的大尺寸 IGCT 设计已问世，具有前所未有的热性能和动态性能。

· 非常适合高功率应用，如 HVDC 中使用的 MMC 拓扑。