科创中国

本项目由清华大学和清华四川能源互联网研究院直流研究中心团队主导开发，面向新能源和直流电网领域，研制了具有自主知识产权的国产化高压大功率半导体IGCT系列产品，并提出了IGCT在新能源发电、直流输配电、储能等电力装备应用的创新解决方案，如交直流变换器、直流断路器、风电变流器、储能四象限系统、制氢电源等，可解决低碳新型电力系统高比例新能源接入、高比例电力电子装置的重大需求，大幅提升交直流转换和功率调节的容量、效率和可靠性，并降低成本。项目成果突破了国外对我国高端能源装备用半导体器件的技术垄断，实现了核心器件-关键装备-新型电力系统的全链条国产化。项目成果2019年通过了中国电机工程学会技术鉴定，达到国际领先水平，并获得了2021年中国电力科学技术发明奖一等奖、 IET 2021 E&T（未来电力与能源领域）创新奖、第48届日内瓦国际发明展金奖和银奖、第二十三届中国专利优秀奖等。目前项目开发的IGCT器件及装备产品已应用于多个新型电力系统工程，包括珠海“互联网+”智慧能源示范项目、国家重点研发计划示范工程（东莞）等，创造营收数千万元。

IGBT（绝缘栅双极晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）等大功率半导体器件是能量转换与功率调节的核心元件。IGBT开关速度快、驱动控制简单，已广泛应用与各类电力电子装备。现有IGBT产品最高功率等级为4.5kV/3kA和6.5kV/0.75kA，由于单个IGBT器件采用数十个芯片并联，封装结构复杂，对芯片一致性要求高，实现难度与成本限制了功率等级的进一步提升。与IGBT相比，IGCT为晶闸管技术路线，主要有以下优势：（1）电压等级更高、通流容量更大，通流损耗可降低30%以上；（2）器件为单个整晶圆芯片压接封装，无需多芯片并联，封装简单，安全防爆，可靠性是IGBT的2倍以上；（3）芯片制备和封装沿用晶闸管路线，步骤少、成本低、国内工艺基础好。因此，IGCT对实现更高电压、更大功率、更高效率和更强可靠性的直流输配电系统具有重要意义。然而，IGCT控制技术壁垒高、驱动功率大且开关频率低、供货商单一，国际上仅有ABB、西门子等电力装备公司将其应用于大功率工业传动领域，国内鲜有IGCT器件制造及应用厂家，导致器件优化迭代缺乏动力，在电网应用还存在技术瓶颈无法突破。

在不同类型大功率半导体器件竞争方面，IGCT主要与IGBT存在一定的协同与竞争关系，IGBT广泛适用于中高压、中高频率的场景，如光伏逆变器、电动汽车、陆上风电、中压柔直、分布式储能等，而IGCT适用于更高电压、超大容量、更高功率密度、但频率要求不高(<1kHz)的场景，如超/特高压直流输电、大容量紧凑型中压柔直、超大容量海上风电及柔直送出、集中式大规模储能、超大功率传动等；在IGCT同类器件竞争方面，与传统IGCT面向工业变频领域不同，本项目面向新型电力系统需求，提出了新型GCT芯片结构和驱动控制保护方法，并引领在新能源和直流电网关键装备应用解决方案的市场推广。

目标客户方面，主要为新能源发电和直流电网领域的电力装备制造厂家和用户，电力装备制造厂家包括南瑞继保、西电集团、荣信、许继、四方继保、山东泰开等，用户包括国家电网、南方电网、长江三峡等电网公司和发电企业。目前，项目团队与上述客户均开展了基于IGCT的装备解决方案与工程应用方案合作。

项目由清华大学和清华四川能源互联网研究院直流研究中心团队主导开发。团队首席科学家曾嵘，清华大学副校长，国家杰青，长江学者特聘教授，万人计划领军人才；团队负责人余占清，清华大学副教授，国家优青；团队核心成员赵彪，清华大学副教授，入选中国科协青年人才托举工程；团队核心成员吴锦鹏，清华大学副教授，入选中组部海外特殊人才计划；团队核心成员陈政宇，清华大学博士后，入选国家博新计划。余占清，团队负责人，清华四川能源互联网研究院新型电力系统关键装备研究中心主任，清华大学副教授、博导，电机系副主任。曾嵘，团队首席科学家，清华大学教授、博导，清华大学副校长，电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室主任，曾任清华四川能源互联网研究院院长。研究方向包括大功率半导体器件与直流电网关键装备、交直流电力系统电磁暂态及其防护、电磁环境与电磁测量等。

本项目IGCT器件重点面向新型电力系统的各类大容量电力电子装备，应用场景包括高压直流输配电、海上风电、储能、抽水蓄能、制氢电源等。随着双碳目标推进和低碳能源结构转型，能源领域电力电子装置的电压、电流等级快速提升，亟需更高电压、更大容量、更强可靠性的高压大功率半导体器件。

技术转让。