本研究由清华大学电机系的研究团队联合中车株洲电力机车研究所有限公司国家变流技术工程研究中心的研究人员共同完成。通讯作者为曾嵘教授和赵彪副教授。研究成果以《Systematic Analysis and Characterization of Extreme Failure for IGCT in MMC-HVDC System—Part II: Failure Mechanism and Short Circuit Characteristics》为题，于2022年5月发表在电力电子领域顶级期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》第37卷第5期上。

该研究聚焦于应用于基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统中，集成门极换流晶闸管在极端故障下的失效机理与短路特性。其学术背景源于柔性直流输电技术的快速发展，尤其是模块化多电平换流器拓扑的广泛应用。当系统中发生严重故障时，例如子模块的旁路开关失效，系统需要依赖功率器件自身能够进入并维持稳定的短路失效模式，以确保故障电流的可靠旁路，防止故障扩大。早期的MMC-HVDC系统多采用塑料封装IGBT，但因其失效后易发生绑定线脱落而无法保证长期稳定的短路路径。因此，压接式IGBT因其高可靠性成为研究热点。而IGCT作为一种新型大功率器件，具有通态压降低、成本低、可靠性高等优点，在MMC应用中前景广阔。然而，由于IGCT采用密封管壳封装，其内部失效后电流分布的动态变化难以观测，导致其短路失效机理一直未被阐明。本研究旨在填补这一空白，通过构建创新的集成测试系统，深入研究IGCT在两种典型失效模式下的短路电流密度分布演变规律，揭示其短路失效的内在物理机制，并通过长期实验验证其作为MMC-HVDC系统故障旁路元件的可行性，为系统可靠性设计提供关键数据和理论依据。

研究工作的详细流程设计缜密，主要包括四个核心环节：失效样本制备、集成测试系统构建、短路特性实验研究以及失效后样品微观分析。 首先，研究的关键在于获取具有明确失效模式的IGCT样品。 研究针对MMC-HVDC系统中IGCT可能面临的两种主要失效模式进行了模拟：关断失效和浪涌电流失效。关断失效模拟了子模块发生过流时，IGCT因电流超出其最大可关断能力而发生的失效。浪涌电流失效则模拟了子模块发生直通故障时，IGCT承受极高di/dt的冲击电流而发生的失效。研究者通过特定的电路实验条件，诱使多个商业4英寸IGCT样品分别发生这两种失效，从而获得用于后续短路特性研究的“已失效但具备短路导通能力”的样本。样本量方面，文中展示了至少四个主要样本（两个关断失效，两个浪涌电流失效）的详细测试结果，并提及了额外的验证样本。 其次，研究的核心创新在于构建了一套用于观测密封封装IGCT内部短路电流分布的“集成测试系统”。 由于IGCT的密封结构，传统方法如罗氏线圈、红外热成像等难以在不破坏封装的情况下获得内部电流密度信息。为此，研究团队自主研发了一套结合磁传感器阵列和热电偶阵列的非侵入式测试系统。该系统包括压力封装组件（内含待测已失效IGCT）、冷却组件和大电流源。在IGCT管壳周围关键位置布置了六个磁传感器，用于检测由短路电流产生的空间磁场分布变化，进而间接反映内部电流密度的重分布。同时，在IGCT阳极板表面特定位置布置了13个热电偶，用于监测表面温度分布，由于焦耳热效应，高温区域通常对应电流集中的导电区域。通过COMSOL Multiphysics软件对测试系统进行三维电磁场仿真，分析了外部铜排电流路径对测量磁场的叠加影响，确保了磁传感器信号变化的有效性，即信号的变化主要源于器件内部电流分布的改变而非外部恒定电流。这套集成测试系统是本研究能够深入探究IGCT内部短路机理的关键工具。 第三，利用上述测试系统，对两种失效模式的IGCT样品进行了系统的短路特性实验研究。 实验流程采用阶梯升流法，直流电流从500A开始，以500A为步长，逐步增加至3000A。每个电流等级持续测试15分钟，以确保器件达到热稳定状态，并观察其电气参数、温度场和磁场的动态演变。对于每个样本，详细记录了阳极-阴极电压、门极-阴极电压、阳极-门极电压、13个温度点以及6个磁场点的数据。这一流程设计使得研究者能够捕捉到短路电流增大过程中，器件内部导电通道的形成、扩展以及可能发生的触发效应等关键动态过程。 第四，在完成电热特性测试后，对经历了长期短路测试的失效IGCT样品进行了破坏性物理分析和微观结构表征。 使用扫描电子显微镜观察失效区域（特别是形成的导电合金）的形貌和横截面结构。进一步采用能量色散X射线光谱仪对导电合金与钼板的界面区域进行元素定量分析和面分布扫描，以揭示高温下原子扩散和合金化的微观机制。

研究取得了系统而深入的结果，逐步揭示了IGCT的短路失效机理。 在关断失效IGCT的短路特性实验中，初始阶段（500A, 1000A），短路电流主要集中在初始破坏点（通常位于芯片外围阴极环的单一位置），表现为该对应区域表面温度显著高于其他区域，且磁场信号稳定。随着电流升至1500A，一个关键现象出现：门极-阴极电压出现跳变并超过J3结的开启阈值（约0.7-0.8 V）。这标志着IGCT发生了“自触发效应”：由于初始破坏点区域温度急剧升高，导致其横向电阻变化，使得部分短路电流注入到邻近未损坏的阴极细胞的J3结，触发了这些正常细胞。磁传感器信号（如Bt1、Bt6下降，Bt3、Bt4、Bt5上升）和温度分布（初始热点温度下降，其他区域温度上升）的同步变化证实了电流从单一初始破坏点向周围区域扩散重分布。在后续更高电流阶段（2000A至3000A），自触发效应使得电流在更广泛的芯片区域共享，器件整体温度趋于均匀，电气和热特性保持稳定。 在浪涌电流失效IGCT的短路特性实验中，其行为模式显著不同。由于失效时存在多个初始破坏点（通常均匀分布在芯片区域），短路电流从一开始就被多个导电通道分担。实验结果显示，在升流过程中，不同破坏点会根据其自身电阻和热状态竞争性地分担电流，例如某个位置（如文中的“位置3”）可能因充分熔融扩散而电阻降低，从而承担更多电流，表现为该区域对应的表面温度升高。在整个测试过程中，门极-阴极电压始终很低，未观察到自触发效应。器件阳极-阴极电压在电流增大过程中保持较低且稳定，甚至因某些区域合金化充分而进一步下降。磁场信号在各阶段也保持相对稳定，表明电流分布主要集中在已形成的多个破坏区域内部，没有发生大规模触发扩散。 微观分析结果为上述电热行为提供了坚实的物理证据。SEM和EDX分析显示，失效后形成的导电合金已深深嵌入钼板中。在合金与钼板的界面处，观察到了钼、硅、铝等元素的相互扩散现象。元素定量分析表明，合金区域硅原子比例约35.19%，而下方钼板区域也含有约13.95%的硅原子，证实了高温下剧烈的原子互扩散和合金化过程，这形成了稳定的、低电阻的金属性导电通道。对长期测试后样品的观察发现，关断失效样品的导电合金区域从初始点沿外围环状路径扩展，受限于门极接触下方的横向电阻，不易向内环扩展；而浪涌失效样品则在芯片内、外区域形成多个分布均匀的导电合金斑。

基于以上结果，研究得出了明确的结论并阐明了其价值。结论指出：IGCT在两种典型失效模式下均能进入稳定的短路失效模式，但其机理不同。关断失效IGCT依赖于自触发效应，将短路电流从单一初始点扩散至更多正常阴极细胞共享，从而实现稳定导通。浪涌电流失效IGCT则依靠多个初始破坏点形成的并联导电合金通道直接分担电流，温度分布更均匀，不易触发，但其整体电阻同样可以很低。超过12小时、3000A的长期短路实验证实了两种失效模式下IGCT均能维持稳定的短路路径。本研究的科学价值在于首次通过创新的实验手段，系统揭示了密封封装IGCT在极端失效后的内部电流重分布动态和短路物理机制，深化了对大功率器件失效后行为的理解。其应用价值至关重要：研究结果直接证明了IGCT在MMC-HVDC系统发生极端故障时，能够作为可靠的“故障电流旁路熔丝”，无需依赖外部复杂的机械或电气旁路方案，这极大地增强了采用IGCT的MMC-HVDC系统的内在可靠性和鲁棒性，为工程设计和设备选型提供了关键依据。

本研究的亮点突出。重要发现在于明确了IGCT关断失效后的“自触发效应”是保证其稳定短路模式的关键，以及浪涌失效多通道分担电流的机理。方法学的新颖性是最大亮点，自主研发的磁-热集成测试系统为非侵入式研究密封功率器件的内部电流分布开辟了新途径。研究对象的特殊性在于聚焦于MMC-HVDC这一重大工程应用场景下的IGCT极端失效问题，具有很强的工程针对性和现实意义。

此外，研究中关于IGCT热模型的分析、外部电流路径对磁场测量影响的仿真校正、以及原子扩散微观机制的揭示等内容，都为研究的完整性和深度增添了重要价值，共同构成了一份对功率器件可靠性研究和电力电子系统设计具有重要参考价值的学术报告。