基于二极管辅助栅极关断晶闸管的中压直流混合断路器研究报告

一、 研究概况

本研究由来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）电力系统和储能系统研究所（Institute for Power Generation and Storage Systems）的Julia Warmuz（研究生会员，IEEE）、Seyedehsan Asadollahi Asltabrizkhah、Ala Qawasmi和Rik W. De Doncker（IEEE Fellow）共同完成。该研究成果以学术论文形式发表于《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》第11卷第3期，于2023年6月正式刊出，并于2023年1月4日在线发表。

二、 研究背景与目标

该研究属于电力电子技术领域，具体聚焦于中压直流（Medium-Voltage Direct Current， MVDC）电网的保护设备——混合断路器（Hybrid Circuit Breaker， HCB）。随着全球范围内MVDC示范项目的兴起，其对电网保护提出了严峻挑战。相较于交流电网，MVDC电网的阻抗更低，导致故障电流会急剧上升，因此要求断路器必须在几毫秒内完成故障电流的开断。混合断路器结合了超快速机械开关（低导通损耗）和并联的电力电子开关支路（快速开断），被证明是一种极具前景的拓扑结构。在高电压（High Voltage， HV）领域，该技术已商业化应用，但在中压领域，单个电力电子器件的选择面临巨大挑战。

IGBT和IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor， 集成门极换流晶闸管）是中压直流应用中常用的器件。然而，IGBT存在无法承受大浪涌电流（因其闩锁效应）以及在高压摆率（du/dt）条件下可能因门极驱动单元（Gate Driver Unit， GDU）误触发而导致关断失败的风险。IGCT基于晶闸管，可承受大浪涌电流，但其关断机制依赖于GDU中预充电的电容器。这导致IGCT有两个主要缺点：1）启动时间长（通常达5秒），因为电容器需要完全充电才能获得完全关断能力；2）关断电流能力与GDU电容大小（即充电时间）成正比，这在需要快速响应的HCB应用中是一个重大限制。

为了克服IGCT的上述缺点，研究人员此前提出了一种新型器件——二极管辅助栅极换流晶闸管（Diode-Assisted Gate-Commutated Thyristor， DAGCT）。DAGCT使用串联二极管堆代替预充电电容来提供关断时所需的电压，使得GDU无需预充电、功耗极低、且无启动时间限制。然而，先前构建的DAGCT原型机由于换流回路杂散电感过大，未能实现“单位增益关断”（unity gain turn-off），且最大关断电流仅为550A，无法满足实际应用需求。

因此，本研究的核心目标是：针对MVDC混合断路器的应用，设计、构建并测试一款全新的DAGCT原型机。该原型机需优化封装设计以大幅降低杂散电感，满足高di/dt条件下的可靠开通要求，并通过理论和实验验证其高电流关断能力，特别是实现单位增益关断，以期达到远超先前原型的性能指标。

三、 研究详细流程与方法

本研究是一个系统的“设计-建模-制造-测试-验证”流程，具体步骤如下：

1. 应用需求分析与设计准则定义： 研究首先通过仿真明确了DAGCT在MVDC HCB中的工况要求。在一个模拟的2.5kV对地电压MVDC电网电缆故障场景中，DAGCT需要主动关断高达3.5kA的故障电流。其工作过程包括：在近乎零电压条件下（仅承受机械开关的电弧电压）开通，以及在机械开关完全打开后关断故障电流。基于此，研究提出了DAGCT单位增益关断的判据：整个阳极电流必须在GCT晶圆开始建立阻断电压之前（约1μs的存储时间内）完全换流到门极路径中。

2. DAGCT原型机的优化设计与建模： 这是本研究最核心的部分，旨在从电气和机械两方面优化设计，以满足开通和关断条件。其工作流程如下： * 关键元器件选型： * GCT晶圆： 选用ABB公司型号为5SHY 45L4520的IGCT中的晶圆。该晶圆具有环形门极触点，允许二极管和门极MOSFET（gFET）直接集成在晶圆下方，优化换流路径。 * 辅助二极管： 选用Infineon公司的D471N整流二极管晶圆，并采用电子辐照处理这一特殊工艺。普通二极管追求低导通压降，但DAGCT需要高导通压降以促进关断换流。辐照增加了二极管的重组中心，从而在2kA电流下将正向压降提升至14V，但在开通初期的压降低至4V，有利于与机械开关的电弧电压（约20V）形成足够的压差以实现快速换流。相比之前设计中使用多个二极管串联的方案，新设计减少了二极管数量（从5个减至3个），降低了正向恢复电压和封装高度。 * 门极MOSFET（gFET）： 选用8个IRL7472L1TRPbF MOSFET并联。其采用低电感封装的DirectFET封装，杂散电感仅2nH。将它们直接置于GCT门极环下方，通过压力接触连接，进一步降低回路电感。 * 电气与机械仿真优化： * 换流回路杂散电感仿真： 使用Ansys Q3D Extractor软件对关断换流路径的杂散电感（Lσ）进行仿真。优化后的设计（包括3个串联二极管、8个并联gFET通过压力接触）的仿真电感值为1.28nH。 * 压力分布仿真： 使用机械仿真软件分析GCT晶圆上的压力分布均匀性。为确保均匀关断，压力必须均匀分布在晶圆的导通区域。仿真结果表明，选用直径为40mm的二极管（与晶圆中心阴极接触区直径匹配）可以获得比商用IGCT和先前使用较小直径二极管的DAGCT原型更优异的压力均匀性。 * 开通路径设计： 将整个门极驱动单元（GDU）集成到封装内部。开通脉冲通过其中一个gFET的封装注入GCT门极环，而返回路径（连接点D）则通过一个独立的铜板连接二极管堆的阴极。这种设计消除了额外的电缆连接，最小化了开通路径的杂散电感，从而确保了在高di/dt下无振荡的平滑开通。 * 封装与机械结构实现： * 开发了一个全新的、紧凑的压接式封装。gFET被焊接在一块带弹簧支撑的PCB上，实现了门极路径与主阴极路径的机械解耦。 * 采用3D打印的盖板来精确对中所有组件（GCT晶圆、弹簧、GDU等）。 * 使用富士压力测量薄膜（Fuji Prescale film）实际测量了封装后GCT晶圆上的压力分布，验证了仿真的均匀性结果。

3. 实验测试与性能验证： 在实验室搭建双脉冲测试平台来模拟HCB工况，对制作完成的DAGCT原型机进行特性测试。 * 开通测试： 在高达12.5 A/μs的电流变化率下测试DAGCT的开通能力。由于减少了二极管数量并优化了开通路径，新原型机成功实现了无振荡的平滑开通，开通初期二极管正向压降仅为4V，保证了与机械开关的快速换流（估算换流时间约80μs）。 * 关断测试与关键发现： * 初始测试与问题定位： 初期采用单侧连接吸收电容（snubber capacitor）的常见做法进行关断测试时，即使在600A这样的较低电流下，器件也发生失效。通过测量每个gFET的电流，发现了一个先前未知的、IGCT中不存在的第二关断判据：即gFET电流分布存在严重不对称性。位于吸收电容连接点附近的gFET电流在关断后出现显著的负向过冲。 * 原因分析与解决方案： 分析认为，单侧吸收电容的连接导致阴极电流矢量在GCT晶圆表面呈水平方向，引起电流分布不对称。在DAGCT中，由于GCT门-阴极结未被预充电容稳定，这种不对称会导致负向尾部电流，可能使晶圆局部区域误开通。而在IGCT中，预充电容器提供稳定的负向门极电压，抑制了这种负向电流。因此，研究者提出了对称吸收电容配置的要求。将吸收电容对称地连接在器件两端后，电流分布变得均匀。 * 成功关断与极限测试： 采用对称吸收电容配置后，原型机成功关断了1.2 kA电流。测量数据显示，阳极电流在0.23 μs内完全换流至门极，满足单位增益关断条件。当尝试关断1.3 kA电流时，器件发生故障。分析指出，故障原因在于所选的GCT晶圆（接触面积仅为总面积的25.2%）本身额定关断电流（1.134 kA）不足，而非DAGCT设计原理或封装存在根本缺陷。

4. 仿真模型建立与性能预测： 基于实验结果，研究者使用SPICE仿真软件（Simetrix）建立了包含GCT晶圆物理模型、实测二极管特性、gFET模型和杂散参数的DAGCT仿真模型。该模型成功复现了700A关断实验的电流电压波形。利用此验证后的模型进行预测性仿真，结果表明，在满足单位增益关断的条件下，优化后的DAGCT设计理论上具备关断高达10 kA电流的能力。

四、 主要研究结果

1. 成功设计并制造出新一代DAGCT原型机： 该原型机集成了优化后的GDU，实现了84.7%的换流回路杂散电感降低（从先前的约6nH降至实测的942 pH），并采用了经过特殊辐照处理、正向压提升260%的二极管。
2. 实现了高di/dt下的可靠开通： 实验证明，新原型机可在12.5 A/μs的电流变化率下无振荡平滑开通，满足了HCB应用中对快速换流的要求。
3. 发现了DAGCT特有的关键设计准则——对称吸收电容配置： 这是本研究的一个重要发现。实验揭示了在DAGCT中，吸收电容的连接对称性对关断成功至关重要，这是与IGCT不同的新要求。通过采用对称配置，消除了gFET电流的不对称性和负向过冲。
4. 验证了单位增益关断能力并大幅提升关断电流： 在对称吸收电容配置下，原型机成功关断1.2 kA电流，并将单位增益关断边界从先前原型的400A提升至1.2kA以上。实验数据（0.23 μs内完成电流换流，电压在0.58 μs后开始上升）证实了单位增益关断的实现。
5. 建立了可靠的仿真模型并预测了高性能潜力： 经验证的SPICE仿真模型准确地预测了DAGCT的关断行为，并预测在采用更高额定电流的GCT晶圆（如新型的带外部门极环、额定6.5kA的晶圆）后，该DAGCT设计有望实现高达10 kA的关断能力。

五、 研究结论与意义

本研究成功开发了一款满足MVDC混合断路器所有工况要求的DAGCT原型机。其核心结论是：通过精心的电气与机械封装设计，特别是大幅降低换流回路杂散电感和采用高压降二极管，DAGCT能够实现单位增益关断，并展现出巨大的高电流关断潜力（理论预测10 kA）。同时，研究揭示并解决了DAGCT特有的“对称吸收电容配置”这一关键设计约束。

该研究的价值体现在： * 科学价值： 深化了对GCT类器件在二极管辅助关断模式下工作机制的理解，特别是发现了电流分布对称性对关断稳定性的关键影响，为后续器件设计提供了新的理论指导。 * 应用价值： DAGCT作为一种新型的断路器用半导体器件，兼具了IGCT的大浪涌电流承受能力和无需预充电、快速启动、低功耗GDU的优点。它为解决MVDC混合断路器中电力电子开关的可靠性与快速响应矛盾提供了极具前景的技术路径。本研究验证了其可行性并指明了性能提升方向。

六、 研究亮点

1. 性能的突破性提升： 将DAGCT的单位增益关断能力从400A提升至1.2kA以上，并通过仿真预测了10kA的潜力，实现了数量级上的性能飞跃。
2. 创新的工艺与设计： 采用电子辐照处理定制高压降二极管；利用环形门极GCT晶圆实现二极管和gFET的紧凑、低感集成；设计了独特的带弹簧解耦的gFET压力接触系统和全集成GDU，在机械和电气上同时达到优化。
3. 关键新发现的揭示： 首次在实验中发现并阐述了DAGCT对吸收电容连接对称性的特殊要求，这一发现是确保DAGCT可靠关断的必要设计准则，具有重要的工程指导意义。
4. 系统性的“仿真-设计-实验-验证”方法： 研究结合了先进的电磁仿真（Ansys Q3D）、机械压力仿真、SPICE电路仿真与严谨的实验测试，形成了完整的设计闭环，为功率器件的研发提供了范例。

七、 其他有价值内容

研究指出，当前原型机性能的最终限制在于所选GCT晶圆的额定电流。文中提到，市场上新出现的额定电流更高（6.5 kA）且具有外部门极环的GCT晶圆，将能够充分利用本研究的优化封装设计，有望在不久的将来制造出关断能力达到理论预测值（10 kA）的DAGCT器件，从而真正满足高要求的MVDC电网保护应用。这为后续研究指明了直接且可行的改进方向。