清华大学电机系和能源互联网研究院直流研究中心科研团队从2015年开始，结合直流电网关键装备的特性，围绕IGCT物理机理模型、参数优化、性能调控及新型驱动等关键技术展开研究，攻克了IGCT直流电网应用的科学和技术难题，并与株洲中车时代电气股份有限公司组成联合研究团队，成功研制出直流电网用新一代4 500V/5 000A IGCT-Plus器件，并实现了多项直流电网工程应用。
研究团队历时5年时间，取得了众多研究成果：（1）建立了高精度快速求解的GCT芯片物理机理模型，在秒级时间范围内完成开通、关断仿真，为IGCT的参数优化和性能调控奠定了理论基础；（2）提出了GCT芯片的参数优化及性能调控方法，降低了电流不均匀分布系数，关断能力得到较大幅度提升；（3）提出了GCT芯片的关键制备工艺优化方案和缺陷检测方法；（4）提出了GCT新型门极驱动方案，大幅提高IGCT器件在直流电网应用中的可靠性；（5）联合株洲中车时代电气股份有限公司成功研制了直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus器件，开展了系统性测试验证，IGCT-Plus在安全性、可靠性、成本和效率等方面具有显著优势。经中国电机工程学会组织的科技成果鉴定，研制的器件具有完全自主知识产权，在机理模型、性能调控方法、门极驱动等方面达到国际领先水平。对于实现直流电网中的高可靠、低成本、高效率的电压和功率变换，推动高压大容量半导体器件及电力电子装备的自主化具有重大的战略意义。
IGCT器件在直流电网领域大有可为
在突破IGCT器件新技术的同时，研究团队对于IGCT器件在直流电网中的应用前景进行了系统地分析和展望，同步研制了一系列关键设备，并在示范工程及电网试验平台中得到了应用。当前直流电网中的关键设备（如MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等）相对于交流电网中的电力电子设备具有很多新特性，这为IGCT的应用提供了契机。研究团队结合这些关键设备的内在特性，提出了基于IGCT的创新方案，并系统论证了其可行性以及技术经济优势。分析表明，基于IGCT的新型设备在安全防爆、故障处理、转换效率、功率密度、制造成本以及可靠性等方面均具有突出的优势，使其在直流电网中的应用具备巨大的潜力。在2018年12月投运的珠海“互联网+”智慧能源示范工程中，鸡山换流站的10kV/10MW MMC应用了研究团队提出的IGCT交叉钳位方案，这是国产IGCT器件在柔性直流输电换流阀中的首次亮相。现已稳定运行一年多，为IGCT器件特性的研究和改进提供了宝贵的数据和经验。在正在建设中的东莞交直流混合配电网工程中，应用了基于IGCT-Plus研发的±375V固态式直流断路器，实现了国产IGCT-Plus器件在固态式直流断路器中的首次应用。
近期，研究团队研制成功10kV/20MW 全 IGCT- MMC，并且已应用于雄安智慧物联直流共享实验室的中低压直流配电网试验平台，这是世界首台采用IGCT-Plus作为主开关器件的柔性直流输电换流阀。研究团队研制的基于IGCT-Plus的160kV直流耗能装置也成功通过第三方见证实验，该装置中开关频率达到500Hz，电流达到1500A，为进一步深化研究和创新应用拓展了新的思路和方向。
IGCT器件将带来显著的经济和社会效益
由于IGCT器件制造工艺大多沿用晶闸管路线，成品率高，制造成本低；尤其是具有强大的抗爆能力，安全性高；此外器件结构简单，可靠性高，运维成本低；加之损耗较低，节能成本显著。因此，相对于压接式 IGBT，IGCT在低频大功率应用领域表现出更好的经济性，若能在直流电网中大规模应用，将取得显著的经济效益。在此基础上发展基于IGCT的柔性直流输配电技术，将有利于加快实现全国范围内和各区域输电网络柔性互联，推动我国能源结构清洁转型和能源消费革命，并将对我国未来电网格局产生重大影响。高压大容量功率半导体器件一直是限制直流电网装备发展的关键瓶颈。在全球直流电网发展势不可挡的背景下，具有安全、可靠、经济、高效等优势的IGCT器件有望成为直流电网关键装备核心器件的新选择，对推动我国功率半导体器件和高端电力装备等行业的自主创新能力、提升国际市场竞争力和影响力具有重要意义。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年2月刊。
专家简介
曾嵘：清华大学电机系教授、能源互联网研究院直流研究中心主任，电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室主任。
余占清：清华大学电机系副教授、能源互联网研究院直流研究中心副主任。
赵彪：清华大学电机系副教授、能源互联网研究院直流研究中心先进电能变换研究室主任。
陈芳林：株洲中车时代半导体有限公司IGCT产品开发部部长。
操国宏：株洲中车时代半导体有限公司副总经理。
韩雪姣：清华大学能源互联网研究院直流研究中心助理研究员。
陈政宇：清华大学电机系助理研究员。
