6 應(yīng)用場景

6.1高壓繼電器和高壓斷路器

新能源汽車的潮流，迫切要求大功率混合式高壓繼電器。   

目前，采用IGBT做30KW高壓混合式繼電器還可以。卻滿足不了新能源汽車要求的100KW以上的大功率。

GATH的最適合做高壓大功率繼電器和斷路器。

· 1.1GATH的優(yōu)勢分析

6.1.1.1在異常工況下，GATH的魯棒性比IGBT高10倍

異常工況，指出現(xiàn)大的電壓浪涌或電流浪涌，IGBT容易閂鎖和柵穿。而GATH沒有閂鎖和柵穿的機(jī)制。所以，GATH的抗浪涌能力比IGBT高10倍。

6.1.1.2在正常工況下，GATH的長期可靠性比IGBT高10倍

IGBT是靠表面溝道控制開關(guān)的。表面溝道非常狹窄，在溝道區(qū)域，電流壓縮了4000倍。

GATH是靠體內(nèi)PN結(jié)通道控制開關(guān)的。在體內(nèi)通道，電流僅壓縮了3-5倍。

所以，IGBT必定更快的老化衰退。

綜合效果就是，采用IGBT的失效率比采用GATH的失效率高10倍。

繼電器的開關(guān)次數(shù)，GATH比IGBT高10倍。IGBT開關(guān)1萬次，GATH開關(guān)10萬次。

6.1.2發(fā)熱和均流

6.1.2.1發(fā)熱

目前的目標(biāo)，發(fā)熱問題不大，開關(guān)一次溫升僅0.43°C

繼電器規(guī)格     500A/1000V

混合式高壓繼電器，在開通和關(guān)斷過程中，功率管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間不長， 20-30mS /30-50mS。

6.1.2.2均流

多個(gè)模塊之間，有均流問題。

    GATH模塊，現(xiàn)在用2顆功率管芯片，2顆二極管芯片，做持續(xù)電流200A.

    以后，用4顆逆導(dǎo)型RC-GATH芯片，做500A  1700V。

    混合式高壓繼電器僅用一個(gè)模塊，就沒有均流問題。

一般講，均流，更多的指動(dòng)態(tài)。GATH的動(dòng)態(tài)一致性好。GATH工作在零溫度系數(shù)區(qū)附近，靜態(tài)一致性好。GATH模塊用于現(xiàn)在目標(biāo)的混合式高壓繼電器，均流問題不大。  

6.1.3 GATH重要參數(shù)

GATH最重要的參數(shù)是最高可關(guān)斷電流。IGCT的最高可關(guān)斷電流密度約100A/cm2，GATH的原包僅IGCT的0.1%；容易關(guān)斷，其最高可關(guān)斷電流密度比IGCT高很多。

GATH的最高可關(guān)斷電流密度，現(xiàn)在達(dá)到多少？還有多大的增大余量？

從小功率GATH—20N17（20A1700V,有源區(qū)4mm2）看，大功率GATH的可關(guān)斷電流密度超過300A/cm2，最終可能達(dá)到500--700A/cm2。

超過300KW，IGBT難，IGCT也難。只有GATH容易。

逆導(dǎo)型RC-IGCT，按照ABB規(guī)格書，不能夠工作在零度以下。RC-IGBT，只能夠用于中小功率軟開關(guān)，否則容易閂鎖。RC-GATH，則不受影響。

IGBT，由于閂鎖，既難高壓，又難串聯(lián)，只能夠做±500KV超高壓柔直。而GATH能夠做±800KV特高壓柔直。

IGCT現(xiàn)在的各種缺點(diǎn)如需要龐大的di/dt吸收回路、驅(qū)動(dòng)功率大、重觸發(fā)、復(fù)雜的上下電邏輯關(guān)系等等，GATH因?yàn)樵?xì)微，都避免了，其驅(qū)動(dòng)線路跟IGBT差不多，僅靠簡單的邏輯線路即可完成開關(guān)驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)口IGBT比國產(chǎn)IGBT貴幾倍，而國產(chǎn)的IGBT的失效率也比進(jìn)口IGBT高幾倍。采用GATH，不管對(duì)進(jìn)口IGBT還是對(duì)國產(chǎn)IGBT，失效率Fit，都降低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

6.1.4 GATH應(yīng)用注意的關(guān)鍵問題

GATH的最大問題是，超過其最高可關(guān)斷電流可能因關(guān)不斷而燒毀。短路瞬間，電流會(huì)急速增大，必須在超過其最高可關(guān)斷電流之前開斷。

需要做的是，把GATH的最高可關(guān)斷電流盡可能提高，整機(jī)公司要做的是，發(fā)現(xiàn)短路要立刻關(guān)斷，或立刻轉(zhuǎn)入限流等故障處理程序，確保GATH在電流達(dá)到最高可關(guān)斷電流之前開斷。

斷路器有一個(gè)限流電感，限制電流上升速度，并能夠根據(jù)這個(gè)上升速度，計(jì)算出開斷時(shí)間。在短路電流不大于額定電流5倍的時(shí)候指令功率管開斷。

這對(duì)GATH斷路器可能很重要，GATH的短路電流可能非常大，比IGBT大十倍。IGBT能夠自動(dòng)限制短路電流為額定電流的7--8倍。GATH可能達(dá)到70--80倍。所以，要有限制電流上升速度并及時(shí)開斷的措施。

6.2  GATH在軌道交通中可靠性優(yōu)于IGBT

GATH在軌道交通牽引應(yīng)用中，失效率能夠比IGBT降低1-2個(gè)量級(jí)以上。

6.2.1 IGBT在軌道交通中的問題

電氣失效則是由于過壓、過流、溫度過高或動(dòng)態(tài) 負(fù)載等原因引起的失效。

6.2.1.1電壓

《研究》用的2個(gè)IGBT是3300V/1200A 并聯(lián)。

從圖1（藍(lán)色線）可以看見，母線電壓1400V，失效率為1Fit，2100V為3000Fit。即母線電壓降低2/3，失效率降低3000倍，或者說，降低到1/3000。

GATH替代IGBT，就具有非常強(qiáng)悍的抗母線電壓浪涌能力。能夠抗擊超過耐壓一倍的浪涌。相當(dāng)于把IGBT的耐壓提高了一半。也相當(dāng)于把應(yīng)用IGBT的母線電壓降低了1/3.原來2100V母線電壓的失效率降低到只有1400V的失效率。降低了3000倍。

英飛凌公司給出了第2代IGBT的失效率曲線（見圖1）， 在中間電壓 1800 V 時(shí)的失效率為 100 Fit，而當(dāng)電壓上升至 2000 V 時(shí)，失效率則上升至 1100 Fit 以上。

6.2.1.2電流

《研究》說明，軌道交通牽引應(yīng)用時(shí)常常發(fā)生過電流，在低溫下，并聯(lián)的各個(gè)IGBT更加難均流，有的IGBT過電流嚴(yán)重，導(dǎo)致過電流保護(hù)后，重新啟動(dòng)失效燒毀。

采用GATH替代，則能夠有效解決。

1、GATH能夠自動(dòng)均流。GATH導(dǎo)通是晶閘管，而且工作在零溫度系數(shù)區(qū)域，所以，各個(gè)并聯(lián)的GATH模塊的電流不受環(huán)境溫度和驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)弱的影響，自動(dòng)均流。

2、GATH因?yàn)楣苄疚⒓?xì)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻小，驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng)，比IGCT高3個(gè)數(shù)量級(jí)。不管環(huán)境高溫低溫，不管上坡下坡重載輕載，都能夠輕松啟動(dòng)。沒有IGBT不能重新啟動(dòng)的問題。  

根據(jù)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，最大電流用到 IGBT 定額的一半，峰值電流在定額電流以下時(shí)，其可靠性將會(huì)大幅提高，這在內(nèi)燃機(jī)車、動(dòng)車和城軌列車上已經(jīng)得到證實(shí)。

由于網(wǎng)壓波動(dòng)及功率沖擊等原因，常常會(huì)使IGBT 過流，致使其過流保護(hù)動(dòng)作，變流器封鎖，同時(shí)主斷路器分?jǐn)啵绻藭r(shí)機(jī)車正好處于重載且上坡時(shí)，往往會(huì)使重新啟動(dòng)失敗，導(dǎo)致機(jī)破事故。

由于結(jié)構(gòu)上的原因，變流器模塊上不同位置的IGBT的溫度會(huì)有一定差異，這會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)時(shí)的均流性變差。同樣，當(dāng)并聯(lián)時(shí)某個(gè) IGBT 性能有所降低時(shí)，其均流性能也會(huì)受到影響。在低溫狀態(tài)下，均流效果比高溫時(shí)差。

6.2.1.3溫度

一般認(rèn)為，溫度上升10度，功率管的失效率增加一倍。溫度上升25度，失效率增加5倍。

GATH的最高工作溫度200度，IGBT  175度。GATH比IGBT高25度。

設(shè)GATH 200度的失效率跟IGBT  175度的失效率相當(dāng)，可以得到，在相同的溫度下，IGBT的失效率是GATH的5.5倍。GATH的失效率是IGBT的1/5.5。

6.2.1.4功率循環(huán)PC 

則主要影響鍵合線及其焊點(diǎn)。

圖2 PC試驗(yàn)曲線

假設(shè)機(jī)車年運(yùn)行300天，每天功率循環(huán)50次，那么 50 K結(jié)溫升的壽命是60年，60 K結(jié)溫升的壽命是20年，70 K結(jié)溫升的壽命是10年。

從圖2和原文，可以看到，溫升從70度降低到50度，即降低20度，壽命從10年增加到60年。即增加了6倍。

使用GATH，最高結(jié)溫可以降低20度。理由是：IGBT的最高結(jié)溫，在E焊塊部位。焊塊的溫度比其他部位的溫度高20度以上。因?yàn)镮GBT焊塊同時(shí)接受雙重加熱，一個(gè)是管芯發(fā)熱，一個(gè)是焊塊的焊絲發(fā)熱。而GATH的E（即K）焊塊下面，沒有有源區(qū)，只有焊絲發(fā)熱，沒有管芯發(fā)熱。所以，GATH的最高結(jié)溫比IGBT低20度。

GATH最高結(jié)溫低20度，壽命增加6倍。

綜合上面4條優(yōu)勢，只計(jì)算電壓V、溫度T和功率循環(huán)PC這3條，GATH的失效率就比IGBT降低300*5*6~10000倍（按照降低1-2個(gè)量級(jí)估計(jì)）

6.2.1.5短路

電壓型功率管的短路耐受能力很弱，按uS計(jì)。電流型功率管的短路耐量很強(qiáng)，高1000倍，按mS計(jì)。

IGBT的短路耐量是10uS，SIC MOS是5uS，3uS，2uS。IGCT是10mS。GATH可以看作是微細(xì)元胞的IGCT。預(yù)計(jì)也能夠達(dá)到IGCT的10uS。比IGBT和SIC MOS持續(xù)時(shí)間長1000倍。GAT在短路狀態(tài)下，能夠自行保護(hù)，預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間也大大超過IGBT和SIC MOS。

短路耐量差異千倍的原因可以歸結(jié)為架構(gòu)決定的通道大小。絕緣柵架構(gòu)的通道是柵下面5nm厚度的表面溝道。電流在溝道區(qū)域被壓縮了千倍。而聯(lián)柵架構(gòu)的通道是內(nèi)部通道，至少5um，比溝道寬敞1000倍，電流在內(nèi)部通道區(qū)沒有被壓縮。所以，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，數(shù)倍工作電流的短路電流在表面溝道區(qū)域被壓縮千倍就很快熱崩，而數(shù)倍工作電流的短路電流在內(nèi)部通道區(qū)域沒有被壓縮。所以，能夠持續(xù)前者千倍的時(shí)間。

焊接型IGBT失效后，常常開路。而焊接型GATH失效后，是短路。

因?yàn)镮GBT的綁定線焊在元包上面，焊點(diǎn)溫度最高，既有元包的發(fā)熱，又有鋁線的發(fā)熱。IGBT燒毀可能導(dǎo)致綁定線燒斷。而GATH的焊點(diǎn)發(fā)熱最低，只有鋁線發(fā)熱，沒有元包發(fā)熱，因?yàn)楹更c(diǎn)下面沒有元包。所以，GATH燒毀，綁定線不會(huì)斷裂。

焊接型封裝比壓接型封裝成本降低一半。采用失效短路的焊接型GATH，有助于把柔直成本降低到有性價(jià)比競爭力的地位，從而有利于柔直的普及推廣。焊接型GATH的失效短路模式，為柔直推廣提供一種高可靠低成本的技術(shù)方案。

焊接型GATH成功之后，如應(yīng)用需要，可設(shè)計(jì)芯片焊點(diǎn)部分做壓接式，封裝壓接型GATH模塊。

6.2.1.6 GATH對(duì)IGCT的優(yōu)勢

GATH是一種微細(xì)元包的IGCT。元包大小只有IGCT的1/1000，驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻也只有IGCT的1/1000。因此，驅(qū)動(dòng)簡便，功耗低，控制力強(qiáng)，可靠性高。

（一）驅(qū)動(dòng)簡便，功耗低，規(guī)格低。

1、IGCT的開通驅(qū)動(dòng)需要2次，才能夠完全開通。關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，有的應(yīng)用場景也需要2次。整個(gè)驅(qū)動(dòng)線路復(fù)雜。而GATH的開通驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)跟IGBT那樣，只需要簡單的邏輯線路，開關(guān)一次即可。

2、GATH的關(guān)斷功耗只有IGCT的10%。

  IGCT的關(guān)斷電壓          22V

  GATH的關(guān)斷電壓         4.5--5V

  IGCT的關(guān)斷電量          I*2µS

  GATH的關(guān)斷電量         I*0.5µ

  按照上述數(shù)據(jù)，GATH的關(guān)斷功耗只有IGCT的6%。

3、IGCT關(guān)斷驅(qū)動(dòng)采用的電解電容和低壓MOS的規(guī)格高，電壓規(guī)格50V。因?yàn)殛P(guān)斷電壓22V。

  GATH關(guān)斷驅(qū)動(dòng)采用的電解電容和低壓MOS的規(guī)格低，電解電容可以16V，低壓MOS可以16--25V。因?yàn)殛P(guān)斷電壓不到IGCT的1/4。

（二）GATH的可靠性、魯棒性比IGCT高

1、溫度范圍

   IGCT最高140°C，GATH最高200°C。

   IGCT的最低工作溫度，按照英飛凌報(bào)告，不能夠低于0°C。低溫下，IGCT容易出事。常溫下，IGCT還需要開通觸發(fā)2次，才能夠完全導(dǎo)通。低溫下，就可能出現(xiàn)不完全導(dǎo)通，結(jié)果，功耗劇增。

2、 IGCT的最高可關(guān)斷電流密度不高，<100A/CM2

   GATH的最高可關(guān)斷電流密度至少是幾百  A/CM2。

   IGCT  4500V  4000A，用4吋芯片。

   4000A，是最高可關(guān)斷電流，而平均最大電流，即可使用最大電流是1700A。

   4000A電流，有源區(qū)至少50cm2，電流密度只有80A/cm2。

3、IGCT過電壓雪崩仍然有可能“誤觸發(fā)”，GATH實(shí)際不可能誤觸發(fā)。

4、GATH 采用逆導(dǎo)型，不僅功率提什30%，而且更加可靠。IGCT未見逆導(dǎo)型。

6.2.1.7 GATH關(guān)斷電源的要求

以5000A 4500V GATH的關(guān)斷為例。

一般功率管的實(shí)際使用電流，是額定電流的40%，即5000A的GATH，實(shí)際使用2000A。需要關(guān)斷的電流是2000A。

不過，我們還是以關(guān)斷5000A計(jì)算，考察對(duì)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)線路各個(gè)元器件的要求。

圖3 GATH驅(qū)動(dòng)接口線路圖

設(shè)定1μS把5000A從陰極轉(zhuǎn)換到門極。即1μS門極的驅(qū)動(dòng)拉走的電流5000A。拉走的電荷量Q=I*t=5000A*1μS=5000μ庫倫。

（從關(guān)斷波形圖測算，轉(zhuǎn)換時(shí)間約0.5μS，拉走的電荷量小一半，只有2500μ庫倫）

1、電解電容C2

取5000*10μF   35V——1600μF   35V的電解電容30個(gè)，拉走5000μ庫倫導(dǎo)致的電解電容的電壓降低V

Q=CV

V=Q/C=5000μ庫倫/50000μF=0.1V

即電解電容只降低0.1V，就完成從陰極拉走5000A出門極的工作。

注意：關(guān)斷驅(qū)動(dòng)實(shí)際是電解電容放電完成的，不是驅(qū)動(dòng)線路完成的。電解電容只需要下降0.1V就可以了。

2、對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電源的要求

柔直的MMC頻率是100-200Hz。

按照200Hz計(jì)算，周期是5mS。因?yàn)殛P(guān)斷驅(qū)動(dòng)只用1μS，即在5mS的周期內(nèi)，只有1μS放電，其余的時(shí)間都在充電，粗略估算，放電時(shí)間就忽略不計(jì)了。

最低充電電流5000μ庫倫/5mS=1A

即 關(guān)斷電源的電流容量只需要1A，就可以了。

給出10倍的余量，關(guān)斷電源也需要10A。

一個(gè)5V 10A的電源，要求不算高。

3、NMOS T2的關(guān)斷控制

用35V 2500A的規(guī)格。一個(gè)35V NMOS，最大160A。16個(gè)并聯(lián)。

4、電解電容和NMOS的耐壓規(guī)格都可以降低到16V。

5、如果電解電容只用5000μF，關(guān)斷瞬間電容的電壓降低1V，也是可以的。

6、如果NMOS的電流容量規(guī)格小一些，影響的只是轉(zhuǎn)換時(shí)間延長一些。對(duì)低頻工作沒有多大影響。轉(zhuǎn)換時(shí)間即使長達(dá)10μS，對(duì)5mS的開關(guān)周期來說，也是可以的。

從以上分析，可以看到，GATH關(guān)斷驅(qū)動(dòng)的要求并不高。

6.2.1.8 GAHT芯片的研發(fā)步驟（三步走）

1、4500V 150A RCGATH（6吋）

現(xiàn)有工藝不用調(diào)整，設(shè)計(jì)一次復(fù)合板，一次工程批就可定型封裝模塊。

可封裝GATH模塊功率相當(dāng)于IGBT 6500V 3000A模塊。

2、6500V 100A RCGATH（6吋）

增加高壓工藝（采用雙場板+場限環(huán)/多區(qū) JTE終端），以及襯底選擇，確保耐壓7000V以上。

可封裝GATH模塊功率相當(dāng)于IGBT 8000V 2000A模塊。

3、8000V 200A （8吋線）

調(diào)整產(chǎn)線，從6吋線上到8吋線。單顆芯片芯片尺寸從6吋線15*15mm2增加到8吋線的32*25mm2。

可封裝GATH模塊8000V 6000A相當(dāng)于IGBT 12000V 6000A模塊。

表1 GATH單顆芯片

備注：1. GATH已有1200V 50A/150A/600A，1700V 100A/200A/400A芯片產(chǎn)品。

1. 4500V GATH芯片減薄可做3300V GATH。

6.3 GATH在柔直中的優(yōu)勢

6.3.1 IGBT在柔直中的局限

要求張北柔直輸電工程采用4500V/3000A壓接型IGBT達(dá)到了±500kV/4500MW的世界領(lǐng)先水平。但是很難靠IGBT進(jìn)一步提高柔直工程的水平，而采用GATH能夠穩(wěn)妥完成。要提高柔直的輸出電壓水平，就需要增加MMC的串聯(lián)數(shù)量，或提高功率管的耐壓水平。IGBT因?yàn)殚V鎖問題，不能夠解決。而GATH沒有閂鎖問題，即可以采用增加MMC串聯(lián)數(shù)量的方法，也可以通過制成6500V和8000V的高壓產(chǎn)品解決。要提高柔直的輸出功率，就需要提高功率管的電流規(guī)格，IGBT的電流密度比較低，只能夠通過并聯(lián)更多的芯片來提高模塊的電流。而GATH的電流密度比IGBT高一倍以上，無需增加并聯(lián)的芯片數(shù)量，就可以把模塊電流從3000A提升到5000A。IGBT的并聯(lián)很難均流，因?yàn)镮GBT的電流對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小、環(huán)境溫度的高低和芯片工藝的分散性相當(dāng)敏感。而GATH具有自動(dòng)均流的特質(zhì)，更容易通過并聯(lián)獲得更大的電流容量。

張北柔性直流輸電示范工程是世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界上等級(jí)最高、輸送容量最大的柔性直流工程。柔直電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備如換流閥，直流斷路器等直流設(shè)備均依托IGBT。IGBT既是柔直電網(wǎng)最核心的一環(huán)，也是最脆弱的一環(huán)。IGBT的故障電流耐受能力相當(dāng)弱，只有額定電流的2倍。張北柔直采用壓接式4500V/3000A的IGBT，其耐受能力只有6KA/mS，與晶閘管10倍于故障電流耐受能力，相差甚遠(yuǎn)。根本原因是IGBT的架構(gòu)必定埋藏著一個(gè)叫做“閂鎖”的失效模式。由于閂鎖，IGBT的耐壓做不高，耐壓越高越容易閂鎖。所以，張北柔直只用4500V，而GATH可以做8000V。GATH抗過電壓雪崩耐量是IGBT的十倍。一只8000V GATH等于兩只4500V IGBT的串聯(lián)?？垢邏旱哪土?，GATH是晶閘管，其電流容量是IGBT的2-3倍，3000A的IGBT芯片能做6000A以上的GATH。

所以，假如張北柔直工程的MMC架構(gòu)不變，采用8000V/6000A 的壓接式GATH替代 4500V/3000A 的壓接式IGBT，則整個(gè)柔直電網(wǎng)的電壓輸出增大一倍，從±500KV增加到±1000KV，柔直電網(wǎng)的額定輸出能力450萬千瓦能夠增大3倍，達(dá)到1800萬千瓦。更重要的是故障率將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)镚ATH就是一款先進(jìn)的IGCT，IGCT的故障電流耐受能力達(dá)到8倍額定電流，耐受時(shí)間長達(dá)20mS，所以，GATH也能夠這么剛硬。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必須發(fā)展風(fēng)光能源，相應(yīng)的電網(wǎng)轉(zhuǎn)型就需要成本比，采用柔性輸電。

當(dāng)前，柔性直流輸電成本比較高，是常規(guī)直流輸電的1.5倍，高成本與采用IGBT有很大關(guān)系。

IGBT的成本占了柔直換流閥造價(jià)的40%，而且壓接式IGBT的耐壓不夠高，只有4500V，需要串聯(lián)更多的功率管。而且IGBT的電流也不夠大，只有3000A，需要并聯(lián)更多的IGBT。IGBT的魯棒性低，抗過電壓雪崩的能力和抗短路的能力比較弱，也容易受電磁干擾而失效。上述種種問題增大了換流閥的體積重量，提高了變電站造價(jià)。

GATH能夠解決上述問題。比起IGBT，GATH的耐壓可以做到耐壓高一倍，電流增大一倍，成本降低一半，魯棒性提高十倍。從而可以把柔直換流閥的體積和重量減少一半以上，大大降低柔直成本。更加突顯柔直的優(yōu)勢。

6.3.2 GATH在柔直中的優(yōu)勢

6.3.2.1 GATH能夠做8000V高壓產(chǎn)品

IGBT的主要問題是“閂鎖”。耐壓越高，終端寬度越大，約容易引發(fā)閂鎖。所以，中國張北柔直只采用4500V壓接式IGBT，而6500V就容易閂鎖，世界上也沒有8000V IGBT產(chǎn)品。

IGBT由于過電壓雪崩容易引發(fā)閂鎖失效，所以，應(yīng)用IGBT必須留有足夠的耐壓余量。如果柔直 600MW，直流電壓+-200KV，直流電流1500A，一共采用160個(gè)功率模塊，80串2并排列。其耐壓的總和達(dá)到360KV。耐壓余量達(dá)到44%。而GATH因?yàn)闆]有“閂鎖”問題，抗雪崩電流沖擊的能力比IGBT高十倍。所以，耐壓余量留30%就夠了。因此，8000V GATH可以等效10000V IGBT。

6.3.2.2.GATH可以做5000A大電流

GATH導(dǎo)通是雙向注入載流子，而IGBT導(dǎo)通只是單向注入載流子。所以，GATH的電流密度比IGBT高得多，越是高壓產(chǎn)品，高阻層越厚，雙向注入的電流能力比單向注入的電力能力強(qiáng)得更多。同樣尺寸的芯片，GATH的電流規(guī)格達(dá)到IGBT的2-3倍。

IGBT是電壓型器件。只要有一個(gè)針孔柵穿，整個(gè)芯片報(bào)廢。而GATH是電流型器件，則沒有這個(gè)問題。所以，IGBT芯片做不大。芯片太大了，良率太低。國產(chǎn)6500V IGBT商用產(chǎn)品。只做到25A。而GATH則可以做滿曝光視場的大芯片，用8吋線晶圓，GATH單個(gè)芯片可做到6500V 300A或者是8000V 200A。因此，GATH壓接式可以做到5000A。

6.3.2.3 GATH成本僅為IGBT的一半

GATH采用平面工藝，不僅工藝簡單、成熟，而且良率極高，即使做高壓大功率芯片，也很少不良品。所以成本低廉，不到IGBT的一半，便于大規(guī)模推廣。

6.3.2.4 GATH的魯棒性比IGBT高十倍6.3.2.5 GATH的最高工作溫度200℃

IGBT最高工作溫度只有175℃，因此溫度越高，IGBT越容易閂鎖。

GATH沒有閂鎖問題，可以在200℃下工作。

6.3.2.6 GATH更適于并聯(lián)獲得大電流

IGBT是晶體管，輸出電流的大小與功率管的加工工藝的分散性、驅(qū)動(dòng)電壓的分散性和功率管實(shí)際結(jié)溫有很大的關(guān)系。所以，在并聯(lián)使用中，會(huì)出現(xiàn)各模塊之間顯著的差異。

而GATH是晶閘管，輸出電流是鎖定的與驅(qū)動(dòng)無關(guān)而且GATH工作在“零溫度系數(shù)區(qū)域”附近，輸出電流與功率管的實(shí)際結(jié)溫關(guān)系不大，也與功率管的加工工藝分散性關(guān)系不大。所以，GATH的各個(gè)模塊之間、各個(gè)單元之間都是很均勻的。

6.3.2.7 GATH更適合做逆導(dǎo)型

逆導(dǎo)型，把功率管與反并二極管做在同一個(gè)芯片上，能把功率提高30%。但是，逆導(dǎo)型為了解決“折拐”問題，必定造成橫向電場不均勻。

IGBT的主要問題是“閂鎖”。橫向電場不均勻，更容易發(fā)生閂鎖。所以，IGBT很難實(shí)現(xiàn)高壓大功率硬開關(guān)實(shí)現(xiàn)逆導(dǎo)型。

而GATH沒有閂鎖問題，魯棒性比IGBT高十倍，不怕橫向電場不均勻，容易實(shí)現(xiàn)適用于高壓大功率硬開關(guān)的逆導(dǎo)型產(chǎn)品——RCGATH。

6.3.2.8 一些重要的性能問題

1、驅(qū)動(dòng)功耗僅為IGBT的5倍

GATH是電流型器件，驅(qū)動(dòng)功耗（主要是關(guān)斷功耗）自然要大于電壓型器件IGBT。但是，大的不多，僅為IGBT的5倍，而比IGCT小的多，只有IGCT關(guān)斷功耗的1/10。

因?yàn)镚ATH的元胞很小，只有IGCT的0.1%，其驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻比IGCT低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，其很容易開關(guān)控制。不像IGCT那樣，需要借助于外界強(qiáng)大“硬驅(qū)動(dòng)”。

2、開關(guān)速度跟IGBT相當(dāng)

GATH的關(guān)斷模式跟IGBT一樣，屬于開基極PNP晶體管關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)檢測證明：GATH的關(guān)斷電流下降波形與拖尾跟IGBT相當(dāng)。

3、GAHT的最大可控光端電流十倍于標(biāo)稱電流。

IGCT的標(biāo)稱電流，就是最大可控關(guān)斷電流，因?yàn)镮GCT的元胞太大了，驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻比GATH高千百倍。所以，如果實(shí)際電流太大，則無法通過外力“硬關(guān)斷”。

而GATH的元胞細(xì)小，很容易用比較小的驅(qū)動(dòng)功率關(guān)斷很大的電流。所以，能夠關(guān)斷標(biāo)稱電流十倍以上的工作電流。

4、不需要采用大的電抗來控制di/dt。

IGCT由于元胞巨大，開通瞬間有一個(gè)電流從邊緣到中心的擴(kuò)展速度不可控問題，所以，需要外加大的電抗。這是IGCT的主要缺點(diǎn)之一。而GATH的元胞細(xì)小，只有12微米，周邊與中心同時(shí)開關(guān)，不存在電流擴(kuò)展速度不可控問題。因此，無需外加大的電抗。

6.3.2.9結(jié)論

GAHT適用于柔性直流輸電，將展現(xiàn)光明的前景：

* 實(shí)現(xiàn)（等效于IGBT的“萬伏五千安”高規(guī)格）；

* 魯棒性增加十倍，失效率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；

* 柔性直流輸電的容量達(dá)到特高壓水平；

* 柔直換流閥的重量和體積減小一半以上，成本降低1/3以上；

* 柔性直流輸電成本比正常直流輸電的成本還要低；

* GATH技術(shù)成熟，產(chǎn)品穩(wěn)定，加工成本低廉，適于大規(guī)模推廣。

7 結(jié)論

電能是當(dāng)今世界最重要的能源形式。輸電，變電，變流，都依靠功率管。功率管是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。

針對(duì)高壓大電流場景現(xiàn)有主流功率器件IGBT、IGCT不足之處，設(shè)計(jì)開發(fā)的聯(lián)柵晶閘管GATH，解決了應(yīng)用場景對(duì)功率器件要求的高功率、高可靠以及成本降低。

聯(lián)柵功率管是一種靜電感應(yīng)型功率管與雙極型功率管的復(fù)合型功率管。聯(lián)柵功率管分為聯(lián)柵晶體管GAT和聯(lián)柵晶閘管GATH兩類，都是采用了聯(lián)柵架構(gòu)。聯(lián)柵架構(gòu)的特點(diǎn)是：多晶硅發(fā)射極和柵上無鋁僅在柵區(qū)匯流條上面布鋁的結(jié)構(gòu)，從而得到了元胞細(xì)小的結(jié)果。

GATH具有抗浪涌能力強(qiáng)、短路保護(hù)能力強(qiáng)、最高工作溫度高、高電流密度、高功率密度、低導(dǎo)通損耗、低成本等優(yōu)勢。未來將推動(dòng)我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)的雙碳目標(biāo)的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

高壓GATH模塊未來可以在柔直、高壓短路器、軌道交通、風(fēng)電、冶金、高壓變頻等領(lǐng)域進(jìn)一步推廣，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

附錄一 GATH隔離脈沖驅(qū)動(dòng)線路