IEEE Transactions on Power Electronics 2022年7月发表的IGCT爆炸特性研究学术报告

本研究由清华大学电机工程系的Wenpeng Zhou、Biao Zhao（通讯作者）、Jiapeng Liu等团队完成，发表于2022年7月的《IEEE Transactions on Power Electronics》第37卷第7期。论文标题为《Systematic Analysis and Characterization of Extreme Failure for IGCT in MMC-HVDC System—Part I: Device Structure, Explosion Characteristics, and Optimization》，聚焦基于模块化多电平换流器的高压直流输电（MMC-HVDC）系统中集成门极换流晶闸管（IGCT）在极端故障下的爆炸机制与优化设计。

学术背景

MMC-HVDC技术是可再生能源并网的关键解决方案，但其可靠性受极端故障（如子模块失控导致电容能量瞬间释放）的严重威胁。传统IGBT模块（PMI）因封装结构复杂，爆炸防护能力不足，而Press-pack IEGT和StackPak IGBT成本高且浪涌电流耐受性差。IGCT因其结构简单、损耗低、浪涌电流能力强（达600–700 kA），成为MMC-HVDC的理想器件。然而，IGCT在极端故障下的爆炸机制尚不明确，本研究旨在揭示其爆炸特性并提出优化方案。

研究流程与实验方法

1. 器件结构与特性对比
   研究首先对比了4.5 kV商用IGCT、Press-pack IEGT和StackPak IGBT的结构（图6）。IGCT采用单芯片设计，阴极-阳极钼板夹层结构，陶瓷外壳（pleated skirt设计）密封（图7a）。通过热仿真（COMSOL 2D模型）分析不同破坏位置对陶瓷壳热应力的影响（图11-13）。

2. 爆炸特性测试

   • 均匀破坏实验：触发18 mF/4500 V电容放电，浪涌电流达700 kA（i²t=66.1 MA²s），IGCT外壳完好，芯片破坏点均匀分布（图9a, 10a）。
     
   • 边缘聚焦破坏实验：人为制造边缘弱区，浪涌电流646 kA时陶瓷壳破裂，破坏点集中于边缘（图9b, 10b）。
     

3. 爆炸机制分析

   • 热应力主导：边缘破坏时陶瓷壳瞬态温差超600°C（图12），远超氧化铝临界值（文献21）。气体压力测试（图14）表明内部压力（<0.35 MPa）低于壳体耐受极限（1.5 MPa），证实热应力是爆炸主因。
     

4. 优化设计验证
   提出中央可控穿通区（CP-IGCT，图15），通过低掺杂n缓冲层调控泄漏电流路径。实验显示破坏点集中于芯片中心，壳体无破裂（图16-17），浪涌电流耐受达640 kA（i²t=77.8 MA²s）。

主要结果与结论

• 爆炸机制：破坏位置分布决定陶瓷壳热应力，边缘聚焦破坏导致瞬态温差超限（图13）。
  
• 优化方案：CP-IGCT通过中央弱区设计避免边缘破坏，实验验证其爆炸防护能力（图17）。
  
• 工程价值：为MMC-HVDC系统提供高可靠IGCT设计准则，替代传统保护晶闸管方案（文献18-19），降低系统复杂度与成本。

研究亮点

1. 创新方法：首次结合破坏位置分布与热应力仿真，揭示IGCT爆炸的物理机制。
   
2. 优化突破：CP-IGCT通过可控穿通区设计实现定向破坏，专利技术（文献22）提升器件鲁棒性。
   
3. 应用导向：直接服务于张北500 kV直流电网等工程（文献1），推动高功率半导体国产化。

其他价值

• 为IGCT在直流断路器（文献17）中的应用提供实验基础。
  
• 提出的热-力耦合分析方法可拓展至其他压接式器件（如IEGT）的可靠性研究。
  

本研究通过多尺度实验与仿真，系统性解决了IGCT在极端故障下的爆炸防护问题，兼具理论深度与工程实践意义。