面向高压直流断路器应用的并联RB‑IGCT

高压直流电网相比交流电网具备诸多优势：传输损耗更低、更便于接入可再生能源发电与储能设备，功率潮流控制能力更强。直流电网的核心器件是直流固态断路器（SSCB）。反向阻断集成门极换流晶闸管（RB‑IGCT）可提供低损耗双向固态断路器解决方案。

RB‑IGCT的优势

集成门极换流晶闸管（IGCT）大量应用于大功率场景，例如工业电机驱动、轨道交通供电、高压直流电力变换等。晶圆级集成门极控制实现低电感设计；较低的通态电压与双极电导调制效应带来较低的导通损耗。传统非对称集成门极换流晶闸管（A‑IGCT）仅能高效正向阻断与导通。可以将外部续流二极管与A‑IGCT串联，以此获得反向阻断能力；将该串联单元反并联，还可以实现双向导通。

RB‑IGCT为对称结构，本身就具备双向阻断能力。将两只RB‑IGCT反并联，即可实现双向导通。反向导通型集成门极换流晶闸管（RC‑IGCT）在芯片内部单片集成反并联续流二极管，因此可实现双向导通；若要实现双向阻断，则需要器件反串联。密封压接封装具备优异可靠性，支持双面冷却。

过去十年间器件性能得到多项提升，例如拓展器件安全工作区（SOA）：日立能源旗下原ABB大功率技术（HPT、HPT+）系列器件，可在更高工作温度下承受更大关断电流；同时通过把通态电压降至1V附近，降低导通损耗。损耗降低可以简化冷却方案，例如风冷即可适配1兆瓦功率等级。晶圆尺寸从91毫米提升至150毫米，器件功率等级进一步提高。现已研制出2.5千伏、1千安规格的RB‑IGCT，在1千安工况下损耗低于1千瓦。

ABB基于RB‑IGCT研制的SACE Infinitus固态断路器，直流额定工作电压1千伏，持续2.5千安工况下损耗约3千瓦。1秒短时耐受短路电流可达3.8千安，更短瞬态下耐受电流更高；故障分断时间为数十微秒级别（机械式断路器为毫秒级别）。尽管RB‑IGCT浪涌额定值较高，但固态断路器必须配置电流变化率（di/dt）钳位环节，可采用无源电抗器或者有源钳位电路。目前行业正在开发额定电压高达10千伏的器件。

图1：不同器件导通功率损耗对比

用于固态断路器的RB‑IGCT并联方案

IGCT这类晶闸管类器件具备负温度系数（NTC）特性，温度越高，导通电流越大。想要获得更大电流容量，需要将多只器件并联。该场景下，如果器件参数、装配回路电感、散热条件匹配不佳，某一只器件会承担越来越大的电流，最终引发热失控，造成器件彻底损坏。ABB的Yuzhi Zhang及其团队开展试验，验证RB‑IGCT并联运行方案 。

该试验中，最多三路具备双向阻断能力的RB‑IGCT支路并联，如图2所示。La、Lb代表母排的寄生电感。

图2：基于并联RB‑IGCT的固态断路器简化原理图

金属氧化物压敏电阻（MOV）起到吸收电网电感能量的关键作用：IGCT分断后为故障电流提供泄放通路，同时将浪涌电压钳位至安全水平。

采用对称母排结构，设备可持续承载5千安电流，总分断能力15千安。3只IGCT分别配置两组散热器，散热器上布置热电偶采集器件温度。选用的RB‑IGCT在1千安时正向压降小于1伏；25摄氏度环境温度下，器件直流伏安特性偏差小于1%。持续导通工况下，三只IGCT散热器最大温度偏差小于3.2摄氏度；试验目标为每只IGCT导通1千安，总导通电流3千安。

直流试验发现，2号IGCT导通电流略低，原因是器件阳极‑阴极开通电压（VAK）存在微小差异。测算表明，VAK出现0.1%‑0.7% 的偏差，会造成各器件电流分担占比出现1%‑4.5% 的差异。

针对该并联组合开展动态短路耐受试验。为产生大电流脉冲，先通过1千伏大电流脉冲发生器对电容充电；电容充电完成后断开电源，接入谐振回路，IGCT并联单元作为回路的一部分。

分别对2只、3只RB‑IGCT并联方案开展测试。两只器件并联时，单只IGCT关断（跳闸）电流约5千安；三只器件并联时，单只关断电流3‑5千安。图3为三路IGCT支路全部投入时固态断路器的工作性能，成功分断13.5千安总短路电流。

图3：基于并联RB‑IGCT的固态断路器短路分断波形

图中同时给出金属氧化物压敏电阻两端电压。总电流的电流变化率di/dt为13安 / 微秒。寄生电感匹配不完全一致，会造成各个器件的di/dt存在差异，进而影响故障工况下的动态均流。电流下降至零的时间小于0.5毫秒，IGCT响应时间小于10微秒。

试验测得故障工况动态均流偏差在5%‑28% 区间；器件参数匹配良好、母排接线完全一致时，均流偏差为5%。

研究人员还对RB‑IGCT器件开展加速老化试验。将每组RB‑IGCT与MOV组合重复承受短路冲击，循环次数最高10000次。RB‑IGCT峰值电流4.7千安，MOV钳位电压约2千伏；两次脉冲之间间隔10秒，避免发生热失控。应力试验后直流特性测试显示，2千安条件下VAK上升约6%；值得注意的是，器件反向漏电流反而得到改善。该组试验证明器件具备优异的抗冲击可靠性。