IGCT器件与应用_曾嵘吴锦鹏_9787302687481

IGCT具有通态压降低、容量大、可靠性高、鲁棒性好等有点，目前已应用在直流断路器、模块化多电平变换器、牵引系统变换器等应用场景。本书围绕IGCT器件，分别展开介绍半导体物理基础及工作原理、阻断特性、开通与导通特性、关断特性、封装、驱动、可靠性及应用。同时，在各章中穿插IGCT的关键工艺技术，如深结推进、边缘终端、质子辐照等。本书内容深入浅出，适合功率器件、半导体制造、电力电子装置等领域的研究人员阅读，也可作为使用IGCT器件的技术人员的参考书籍。

功率半导体器件作为电力电子技术的基础元件，被誉为电能变换的芯脏，在现代工业和社会发展中扮演着不可或缺的角色，广泛应用于消费电子、工业变频、新能源发电、交直流电力传输等领域，是支撑能源绿色生产、安全传输、高效利用的关键部件。自20世纪50年代以来，伴随着应用场景的持续拓展细分，功率半导体器件经历了从不控到半控再到全控、从低压小容量到高压大容量的技术演进，呈现出蓬勃发展的态势。

集成门极换流晶闸管（integrated gatecommutated thyristor,IGCT）正是在这一过程中应运而生的。20世纪90年代，瑞士ABB公司率先推出全球首款IGCT器件，标志着这一领域的革命性进展。IGCT兼具全控能力和高耐压、大通流特性，一经问世就在大容量电力传动等领域获得高度认可。我国中车株洲所于2003年启动IGCT研发，历经数年研制出4.5kV/4kA和6kV/3kA等级的不对称IGCT器件，并在机车牵引中获得应用。

社会发展创造新的需求，新的需求催生科技进步。21世纪以来，我国电力能源系统经历着深刻的绿色低碳革命，高比例新能源、高比例电力电子日益成为电力系统发展的特征趋势。由于IGCT具有高压大容量、低成本、高可靠等特点，因此在新能源电力系统场景中极具技术优势和应用潜力。作者带领清华团队，针对IGCT开展了系统性理论研究与创新设计，并与中车株洲所、西安派瑞、怀柔实验室等国内头部功率半导体企业、研发机构联合攻关，十余年磨一剑，最终成功研制4.5kV/6.5kV/8.5kV系列化IGCT器件，不仅在电压和容量等级方面取得突破达到世界领先水平，还特别针对电力系统安全可靠的要求，开发了过压击穿、黑启动、在线取能等独特功能。相信随着我国双碳战略的深入推进和新型电力系统的加速演进，IGCT在这一领域的研发与应用前景将更加广阔，也必将受到学术界和工业界越来越多的关注。

基于此，作者希望借助此书，总结团队十余年技术攻关成果，系统解构IGCT器件的基础机理、关键特性与工程应用，构建涵盖芯片设计、制造工艺、封装集成、驱动控制、测试和可靠性、创新应用等知识体系。作为IGCT著作，本书旨在实现从物理模型到装备应用的贯通，适合功率半导体研究人员、专业研究生、能源电力领域工程技术人员及产业决策者阅读。

各章节的主要内容如下。

第1章简要回顾功率半导体的发展历程，概括介绍了IGCT的基本结构、工作原理和分类，并给出了IGCT的功率等级及其适用的大功率应用场景，便于读者整体理解IGCT。

第2~4章，分别阐述了IGCT芯片阻断电压、导通电流和关断电流能力三大核心性能的物理原理、影响机制、结构设计和性能提升方法，以便读者深入理解IGCT芯片原理，并为优化IGCT提供参考案例。

第5章介绍了IGCT芯片的完整工艺流程，主要包括硅单晶生长、掺杂、薄膜、光刻及刻蚀、终端及少子寿命调控等，从而实现IGCT芯片制备。除芯片外，整晶圆压接封装和集成门极驱动是IGCT有别于其他高压大功率半导体器件的主要特征。对此，第6章介绍了IGCT封装的结构、关键参数与封装工艺，并给出了降低寄生参数和改善散热能力的先进封装发展方向；第7章介绍了集成门极驱动的电路原理、提升关断能力的拓扑结构，并简述驱动的可靠性、可用性、可维护性和安全性特征。

测试是检验器件性能和可靠性的重要手段，对此，第8章介绍了IGCT的主要性能参数及其测试方法，并对宇宙射线导致IGCT失效的机理及其加固措施进行了阐述。第9章结合极端工况下的理论和试验，阐述了IGCT稳定的失效短路特性是其在高可靠串联应用的一大优势。

第10章介绍了IGCT的建模方法，主要包括基于外特性的电路模型和基于物理过程的紧凑模型，可用于IGCT在应用电路中的特性仿真，支撑装备拓扑及参数设计。

最后在第11章和第12章，综述IGCT在高压大容量的应用，包括已成熟应用的大容量变频调速装备，以及近些年快速发展的高压大容量直流输配电和大规模新能源发电装备，给出了相应电路拓扑及工作原理，并结合具体案例，为IGCT的应用设计提供示范。

需要说明的是，此书得以付梓，得益于团队的共同努力和集体智慧。本书内容主要基于作者所指导博士生吕纲、陈政宇、张翔宇、刘佳鹏、周文鹏、许超群、任春频、尚杰等的研究成果总结而成，他们为本书成稿做出了重要贡献。任春频、陈政宇、刘佳鹏、屈鲁、李晓钊、张浩、段金沛等研究人员参与本书整理工作，余占清、赵彪、庄池杰等老师及中车株洲所张明教高等专家在百忙中审阅书稿并提出宝贵建议，在此一并表示衷心感谢！

作者深知，仅通过本书有限的篇幅展示IGCT器件特性及应用等全貌是一项极具挑战的工作，加之水平有限，难免存在不妥和疏漏之处，恳请读者批评指正。

作者
于清华园
2025年3月

第1章IGCT基本概念
1.1功率半导体器件发展历程
1.2IGCT器件结构和工作原理
1.3IGCT器件分类
1.3.1对称反向阻断IGCT
1.3.2不对称反向阻断IGCT
1.3.3反向导通IGCT
1.4IGCT器件的功率等级扩展及适用场景
参考文献
第2章IGCT阻断特性
2.1对称IGCT有源区阻断特性
2.1.1阻断电压与阻断状态下的漏电流
2.1.2给定阻断要求下的N基区与P发射极结构设计
2.2不对称IGCT有源区阻断特性
2.2.1阻断电压与阻断状态下的漏电流
2.2.2给定阻断要求下的N基区与N缓冲层结构设计
2.3边缘终端结构
2.3.1平面终端结构
2.3.2斜面终端结构
参考文献
第3章IGCT导通特性
3.1开通过程
3.2通态电压
3.2.1理想情况下的通态电压
3.2.2非理想情况下的通态电压
3.3降低通态电压的措施
3.3.1P发射极参数设计
3.3.2局部少子寿命控制
3.4浪涌耐受特性
参考文献
第4章IGCT关断特性
4.1关断物理过程
4.2介观行为分析方法
4.2.1介观信号激励
4.2.2介观失效捕获
4.3关断失效机理
4.3.1不满足硬驱动条件的关断失效
4.3.2低压自触发的关断失效
4.3.3高压自触发的关断失效
4.4关断能力提升方法
4.4.1硬驱动能力提升
4.4.2低压自触发抑制
4.4.3高压自触发抑制
参考文献
第5章IGCT芯片制造工艺
5.1硅单晶生长及中子嬗变工艺
5.1.1晶体生长
5.1.2外延生长
5.1.3中子嬗变
5.2掺杂工艺
5.2.1扩散
5.2.2离子注入
5.3薄膜工艺
5.3.1热氧化
5.3.2CVD
5.3.3PVD
5.4光刻及刻蚀工艺
5.4.1光刻
5.4.2湿法腐蚀
5.4.3干法刻蚀
5.5边缘终端工艺
5.5.1边缘环切
5.5.2边缘磨角
5.5.3边缘腐蚀及钝化保护
5.6少子寿命调控工艺
5.6.1电子辐照
5.6.2质子辐照
参考文献
第6章IGCT封装技术
6.1IGCT的压接式封装结构
6.2IGCT封装的关键参数
6.2.1机械参数
6.2.2电学参数
6.2.3热学参数
6.3IGCT封装工艺
6.3.1组件加工与装配
6.3.2焊接与气密性检测
6.4IGCT的先进封装技术
6.4.1边缘门极技术
6.4.2低温键合技术
6.4.3集成水冷技术
6.4.4微流道技术
参考文献
第7章IGCT驱动技术
7.1IGCT驱动原理及电路架构
7.2IGCT驱动关键电路设计
7.2.1开通电路
7.2.2关断电路
7.2.3电源电路
7.3先进关断电路拓扑
7.3.1多级电压源换流
7.3.2阴极关断换流
7.3.3电流源换流
7.3.4关断电路拓扑对比
7.4IGCT驱动的RAMS性能
7.4.1可靠性
7.4.2可用性
7.4.3可维护性
7.4.4安全性
参考文献
第8章IGCT测试与可靠性
8.1IGCT性能参数
8.1.1阻断电特性参数
8.1.2通态电特性参数
8.1.3开通电特性参数
8.1.4关断电特性参数
8.1.5反向恢复电特性参数
8.1.6门极驱动接口参数
8.1.7热特性参数
8.1.8机械特性参数
8.2IGCT型式试验与出厂试验
8.2.1试验项目
8.2.2环境试验
8.2.3耐久试验
8.2.4电磁兼容试验
8.3IGCT宇宙射线失效
8.3.1宇宙射线损伤机理
8.3.2宇宙射线失效加固措施
参考文献
第9章IGCT失效短路特性
9.1失效类型与失效点特征
9.1.1过电流通流失效
9.1.2过电流关断失效
9.1.3过电压阻断失效
9.2失效后暂态冲击耐受特性
9.2.1暂态冲击下的封装破裂机制
9.2.2不同失效类型下的暂态冲击耐受特征
9.2.3器件抗破裂设计
9.3失效后长时电流通流耐受特性
9.3.1金属-半导体的熔融互掺机制
9.3.2邻近区域的自触发扩展机制
参考文献
第10章IGCT仿真模型
10.1IGCT模型分类
10.2基于行为特性的电路模型
10.2.1模型原理与架构
10.2.2电路搭建方法
10.3基于物理过程的紧凑模型
10.3.1模型原理与架构
10.3.2区域描述方程建立与验证
10.3.3应用仿真案例
参考文献
第11章IGCT在大功率中压传动系统的应用
11.1应用场景与发展现状
11.1.1应用场景
11.1.2发展现状
11.2典型拓扑与工作原理
11.3技术特性分析
11.4装备设计与应用
11.4.1装备设计
11.4.2应用情况
参考文献
第12章IGCT在新型电力系统的应用
12.1混合换相换流器
12.1.1应用场景与发展现状
12.1.2典型拓扑与工作原理
12.1.3技术特性分析
12.1.4装备设计与工程应用
12.2模块化多电平换流器
12.2.1应用场景与发展现状
12.2.2典型拓扑与工作原理
12.2.3技术特性分析
12.2.4装备设计与工程应用
12.3直流变压器
12.3.1应用场景与发展现状
12.3.2典型拓扑与工作原理
12.3.3技术特性分析
12.3.4装备设计与工程应用
12.4直流断路器
12.4.1应用场景与发展现状
12.4.2典型拓扑与工作原理
12.4.3技术特性分析
12.4.4装备设计与工程应用
参考文献

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