功率半導(dǎo)體器件作為電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)元件，被譽(yù)為電能變換的芯臟，在現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)發(fā)展中扮演著不可或缺的角色，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)變頻、新能源發(fā)電、交直流電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域，是支撐能源綠色生產(chǎn)、安全傳輸、高效利用的關(guān)鍵部件。自20世紀(jì)50年代以來，伴隨著應(yīng)用場景的持續(xù)拓展細(xì)分，功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了從不控到半控再到全控、從低壓小容量到高壓大容量的技術(shù)演進(jìn)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。
集成門極換流晶閘管（integrated gatecommutated thyristor,IGCT）正是在這一過程中應(yīng)運(yùn)而生的。20世紀(jì)90年代，瑞士ABB公司率先推出全球首款I(lǐng)GCT器件，標(biāo)志著這一領(lǐng)域的革命性進(jìn)展。IGCT兼具全控能力和高耐壓、大通流特性，一經(jīng)問世就在大容量電力傳動(dòng)等領(lǐng)域獲得高度認(rèn)可。我國中車株洲所于2003年啟動(dòng)IGCT研發(fā)，歷經(jīng)數(shù)年研制出4.5kV/4kA和6kV/3kA等級的不對稱IGCT器件，并在機(jī)車牽引中獲得應(yīng)用。
社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造新的需求，新的需求催生科技進(jìn)步。21世紀(jì)以來，我國電力能源系統(tǒng)經(jīng)歷著深刻的綠色低碳革命，高比例新能源、高比例電力電子日益成為電力系統(tǒng)發(fā)展的特征趨勢。由于IGCT具有高壓大容量、低成本、高可靠等特點(diǎn)，因此在新能源電力系統(tǒng)場景中極具技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。作者帶領(lǐng)清華團(tuán)隊(duì)，針對IGCT開展了系統(tǒng)性理論研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并與中車株洲所、西安派瑞、懷柔實(shí)驗(yàn)室等國內(nèi)頭部功率半導(dǎo)體企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，十余年磨一劍，最終成功研制4.5kV/6.5kV/8.5kV系列化IGCT器件，不僅在電壓和容量等級方面取得突破達(dá)到世界領(lǐng)先水平，還特別針對電力系統(tǒng)安全可靠的要求，開發(fā)了過壓擊穿、黑啟動(dòng)、在線取能等獨(dú)特功能。相信隨著我國雙碳戰(zhàn)略的深入推進(jìn)和新型電力系統(tǒng)的加速演進(jìn)，IGCT在這一領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用前景將更加廣闊，也必將受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。
基于此，作者希望借助此書，總結(jié)團(tuán)隊(duì)十余年技術(shù)攻關(guān)成果，系統(tǒng)解構(gòu)IGCT器件的基礎(chǔ)機(jī)理、關(guān)鍵特性與工程應(yīng)用，構(gòu)建涵蓋芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝集成、驅(qū)動(dòng)控制、測試和可靠性、創(chuàng)新應(yīng)用等知識(shí)體系。作為IGCT著作，本書旨在實(shí)現(xiàn)從物理模型到裝備應(yīng)用的貫通，適合功率半導(dǎo)體研究人員、專業(yè)研究生、能源電力領(lǐng)域工程技術(shù)人員及產(chǎn)業(yè)決策者閱讀。
各章節(jié)的主要內(nèi)容如下。
第1章簡要回顧功率半導(dǎo)體的發(fā)展歷程，概括介紹了IGCT的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和分類，并給出了IGCT的功率等級及其適用的大功率應(yīng)用場景，便于讀者整體理解IGCT。
第2~4章，分別闡述了IGCT芯片阻斷電壓、導(dǎo)通電流和關(guān)斷電流能力三大核心性能的物理原理、影響機(jī)制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能提升方法，以便讀者深入理解IGCT芯片原理，并為優(yōu)化IGCT提供參考案例。
第5章介紹了IGCT芯片的完整工藝流程，主要包括硅單晶生長、摻雜、薄膜、光刻及刻蝕、終端及少子壽命調(diào)控等，從而實(shí)現(xiàn)IGCT芯片制備。除芯片外，整晶圓壓接封裝和集成門極驅(qū)動(dòng)是IGCT有別于其他高壓大功率半導(dǎo)體器件的主要特征。對此，第6章介紹了IGCT封裝的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)與封裝工藝，并給出了降低寄生參數(shù)和改善散熱能力的先進(jìn)封裝發(fā)展方向； 第7章介紹了集成門極驅(qū)動(dòng)的電路原理、提升關(guān)斷能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并簡述驅(qū)動(dòng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性特征。
測試是檢驗(yàn)器件性能和可靠性的重要手段，對此，第8章介紹了IGCT的主要性能參數(shù)及其測試方法，并對宇宙射線導(dǎo)致IGCT失效的機(jī)理及其加固措施進(jìn)行了闡述。第9章結(jié)合極端工況下的理論和試驗(yàn)，闡述了IGCT穩(wěn)定的失效短路特性是其在高可靠串聯(lián)應(yīng)用的一大優(yōu)勢。
第10章介紹了IGCT的建模方法，主要包括基于外特性的電路模型和基于物理過程的緊湊模型，可用于IGCT在應(yīng)用電路中的特性仿真，支撐裝備拓?fù)浼皡?shù)設(shè)計(jì)。
最后在第11章和第12章，綜述IGCT在高壓大容量的應(yīng)用，包括已成熟應(yīng)用的大容量變頻調(diào)速裝備，以及近些年快速發(fā)展的高壓大容量直流輸配電和大規(guī)模新能源發(fā)電裝備，給出了相應(yīng)電路拓?fù)浼肮ぷ髟�，并結(jié)合具體案例，為IGCT的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供示范。
需要說明的是，此書得以付梓，得益于團(tuán)隊(duì)的共同努力和集體智慧。本書內(nèi)容主要基于作者所指導(dǎo)博士生呂綱、陳政宇、張翔宇、劉佳鵬、周文鵬、許超群、任春頻、尚杰等的研究成果總結(jié)而成，他們?yōu)楸緯筛遄龀隽酥匾暙I(xiàn)。任春頻、陳政宇、劉佳鵬、屈魯、李曉釗、張浩、段金沛等研究人員參與本書整理工作，余占清、趙彪、莊池杰等老師及中車株洲所張明教高等專家在百忙中審閱書稿并提出寶貴建議，在此一并表示衷心感謝！
作者深知，僅通過本書有限的篇幅展示IGCT器件特性及應(yīng)用等全貌是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作，加之水平有限，難免存在不妥和疏漏之處，懇請讀者批評指正。
作者
于清華園
2025年3月
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