高压大功率半导体器件IGCT

1. 痛点问题

功率半导体是支撑能源领域发展的核心部件。为实现3060双碳目标，我国正在超常规推动新能源发电、大容量输配电和电气化交通等领域，对电压等级4.5kV以上的功率器件需求急速增长。提高器件电压和容量可以减少器件串并联数量、缩减装备体积和成本，是解决城市用地紧张、降低海上风电平台建设成本的关键。然而，受工作机理和制备工艺限制，IGBT器件最大功率等级为4.5kV/3kA和6.5kV/0.75kA，已接近瓶颈，无法满足能源发展需求。因此，亟需更高电压、更大容量、更高可靠性和更低制造成本的功率半导体器件解决方案。

2020年，中国功率半导体市场规模达2000亿元，但90%以上依赖进口，尤其是4.5kV以上器件，近乎全部进口。亟需寻求自主可控的功率半导体器件国产替代方案。

2. 解决方案

本技术面向新能源发电和输配电领域大容量、高可靠的需求，提出了自主化IGCT器件（集成门极换流晶闸管）的设计、制备和驱动控制方案，可以提高阻断电压和关断电流能力、降低器件运行损耗，且可以结合应用工况开展定制优化，如改善器件防爆特性、解决高压装置中的驱动供电问题等，从而实现大容量、高可靠、低成本、高效率的能量管理和功率变换。

目前团队已研制出4.5kV/5kA和6.5kV/4kA的IGCT器件，功率等级全面覆盖IGBT，且具有向更大容量发展的潜力。与IGBT、MOSFET等晶体管器件相比，本技术提出的IGCT具有通态损耗低、耐受电压高、可靠性高、抗干扰能力强等突出优势，符合能源发展趋势，且制造工艺沿用基本沿用传统的晶闸管路线，制造成本低，国内工艺基础好。

IGCT器件可广泛应用于各类大容量电力电子装备。以海上风电场景为例，2021至2030年，预计新增装机容量50GW，考虑风机变流器及柔性直流换流阀等电力装备，需4.5kV以上器件50万只，即5万只/年。类似地，再考虑陆上风电、柔性直流输配电、轨道和船舶电气化、高压工业变频等应用场景，保守估计4.5kV以上器件市场规模将达30万只/年。考虑IGCT与IGBT、不同IGCT厂家间的竞争关系，按照市场占有率1/3、单价2万元/只考虑，年收入为20亿元/年。

团队自2014年起开展IGCT研究，2019年研制出具有完全自主知识产权的直流电网用4.5kV/5kA IGCT器件，经电机工程学会鉴定达到国际领先水平，成果已在多个直流工程应用。

未来将整合国内工艺线资源，形成稳定的研发与生产平台，提高产品可靠性和成品率，并开发6.5kV/8kA等更大容量IGCT器件。同时，继续与电网公司、发电公司等合作，重点发展海上风电、大容量柔直输配电、轨道和船舶电气化等新增市场，同步推动工业变频等市场的国产替代，并拓展脉冲功率等更多应用场景。

（1）器件性能方面：IGCT电压和功率等级全面覆盖IGBT，且损耗小、成本低、可靠性高。与其他厂家IGCT相比，本团队研制的IGCT的最大关断电流、导通压降等参数已达到国际领先水平。

（2）应用拓展方面：与现有的器件制造厂家不同，本团队拥有完备的器件-装备-系统应用技术团队，熟知器件特性、应用需求以及装置与系统的适配方案，可以扬长避短，更好地拓展IGCT应用场景。

（3）定制服务方面：已有IGCT产品为面向工业变频的通用型号，缺少对新应用的技术支持。本团队面向新能源发电和输配电装置需求，支持器件定制设计并提供系统应用解决方案，最大程度发挥器件优势。

（4）客户资源方面：本团队已与电网公司、发电公司、装备制造厂家开展合作，共同研发基于IGCT的大容量电力装备，拓展应用场景，促进产品应用。

（5）国家政策方面：目前国外仅有ABB半导体公司、国内仅有与本团队合作的芯片制造厂家具备IGCT生产能力，功率半导体自主化的政策环境有利于本团队IGCT器件的推广应用。