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一个普通而又平凡的清晨,你在舒适的空调温度下醒来。打开冰箱,取出食物做一顿美美的早餐;解锁充好电的手机,查看新的资讯;来到公司后打开电脑,开启一天的工作。电力悄无声息地融入你的生活,伴你度过充实的一天。与此同时,来自火电、水电、核电以及风电、光伏发电的电能正被源源不断地输送到城市和乡村,供给传统的能源、机械、交通、制造产业,以及新兴的通信、航天、医疗、材料等高技术产业使用。
但是,来自不同源头电能的电压、频率各不相同,它们就像形态、大小各异的食物,其中高达75%以上的部分都由“厨师”进行修整和加工,经过“烹饪”之后才能由“粗电”变成“精电”,终供拥有不同“口味”的设备使用,满足复杂的用电需求。这位能够实现电能变换和控制的核心“大厨”便是功率半导体器件。
功率半导体器件也称电力电子器件,结合不同电路拓扑可以形成各类电力电子装置,实现整流、逆变、变频、调压等功能。随着功率半导体技术的不断,从高压输电到城市用电,从工业变频到医疗器械,从电动汽车的电机驱动到空调、冰箱等家用电器,再到手机、笔记本等数码产品,功率半导体器件无处不在,与我们的生活密不可分。其中,集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor,IGCT)器件作为功率半导体器件家族中的年轻成员于1997年被提出,展现出了的发展潜力,正成为直流电网的“芯”选择。
自从IGCT诞生以来,由于其具有阻断电压高、容量大、通态损耗低、可靠性高等优点,在工业变频调速、风电并网、轨道交通等领域广泛应用。ABB公司针对中压传动领域的ACS系列变频器以及针对风力发电领域的PCS系列换流器均采用IGCT作为开关器件,并于2017年研制成功了用于轨道交通供电的交交型模块化多电平变换器(MMC)样机;我国株洲中车时代电气股份有限公司(现为株洲中车时代半导体有限公司)生产的IGCT器件也被大量应用于轨道交通领域。
近年来,在新能源输送和大规模储能的驱动下,直流电网在的发展势不可挡。高压大容量功率半导体器件作为MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等直流主干网络关键装备的核心元件,是学术研究的话题,也是产业应用的关注热点。IGBT具有驱动功率小而且驱动电路简单、开关速度快、耐压高、电流大等优点,在柔性直流电网中得到了广泛的应用。而事实上,尽管IGBT优势,但是相比电流型器件,仍然存在通态压降大、可靠性低、制造成本高等问题,具有很多改进的空间。尤其是在高压大容量应用中,所使用的开关器件数量非常大,若能改进这些特性,进一步提率和可靠性、减小成本,将会具有很大的吸引力和应用前景。
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