高壓大功率半導體器件IGCT
1. 痛點問題
功率半導體是支撐能源領域發展的核心部件。為實現3060雙碳目標,我國正在超常規推動新能源發電、大容量輸配電和電氣化交通等領域,對電壓等級4.5kV以上的功率器件需求急速增長。提高器件電壓和容量可以減少器件串并聯數量、縮減裝備體積和成本,是解決城市用地緊張、降低海上風電平臺建設成本的關鍵。然而,受工作機理和制備工藝限制,IGBT器件最大功率等級為4.5kV/3kA和6.5kV/0.75kA,已接近瓶頸,無法滿足能源發展需求。因此,亟需更高電壓、更大容量、更高可靠性和更低制造成本的功率半導體器件解決方案。
2020年,中國功率半導體市場規模達2000億元,但90%以上依賴進口,尤其是4.5kV以上器件,近乎全部進口。亟需尋求自主可控的功率半導體器件國產替代方案。
2. 解決方案
本技術面向新能源發電和輸配電領域大容量、高可靠的需求,提出了自主化IGCT器件(集成門極換流晶閘管)的設計、制備和驅動控制方案,可以提高阻斷電壓和關斷電流能力、降低器件運行損耗,且可以結合應用工況開展定制優化,如改善器件防爆特性、解決高壓裝置中的驅動供電問題等,從而實現大容量、高可靠、低成本、高效率的能量管理和功率變換。
目前團隊已研制出4.5kV/5kA和6.5kV/4kA的IGCT器件,功率等級全面覆蓋IGBT,且具有向更大容量發展的潛力。與IGBT、MOSFET等晶體管器件相比,本技術提出的IGCT具有通態損耗低、耐受電壓高、可靠性高、抗干擾能力強等突出優勢,符合能源發展趨勢,且制造工藝沿用基本沿用傳統的晶閘管路線,制造成本低,國內工藝基礎好。
清華大學
2021-10-26