6 应用场景

6.1高压继电器和高压断路器

新能源汽车的潮流，迫切要求大功率混合式高压继电器。   

目前，采用IGBT做30KW高压混合式继电器还可以。却满足不了新能源汽车要求的100KW以上的大功率。

GATH的最适合做高压大功率继电器和断路器。

· 1.1GATH的优势分析

6.1.1.1在异常工况下，GATH的鲁棒性比IGBT高10倍

异常工况，指出现大的电压浪涌或电流浪涌，IGBT容易闩锁和栅穿。而GATH没有闩锁和栅穿的机制。所以，GATH的抗浪涌能力比IGBT高10倍。

6.1.1.2在正常工况下，GATH的长期可靠性比IGBT高10倍

IGBT是靠表面沟道控制开关的。表面沟道非常狭窄，在沟道区域，电流压缩了4000倍。

GATH是靠体内PN结通道控制开关的。在体内通道，电流仅压缩了3-5倍。

所以，IGBT必定更快的老化衰退。

综合效果就是，采用IGBT的失效率比采用GATH的失效率高10倍。

继电器的开关次数，GATH比IGBT高10倍。IGBT开关1万次，GATH开关10万次。

6.1.2发热和均流

6.1.2.1发热

目前的目标，发热问题不大，开关一次温升仅0.43°C

继电器规格     500A/1000V

混合式高压继电器，在开通和关断过程中，功率管的导通持续时间不长， 20-30mS /30-50mS。

6.1.2.2均流

多个模块之间，有均流问题。

    GATH模块，现在用2颗功率管芯片，2颗二极管芯片，做持续电流200A.

    以后，用4颗逆导型RC-GATH芯片，做500A  1700V。

    混合式高压继电器仅用一个模块，就没有均流问题。

一般讲，均流，更多的指动态。GATH的动态一致性好。GATH工作在零温度系数区附近，静态一致性好。GATH模块用于现在目标的混合式高压继电器，均流问题不大。  

6.1.3 GATH重要参数

GATH最重要的参数是最高可关断电流。IGCT的最高可关断电流密度约100A/cm2，GATH的原包仅IGCT的0.1%；容易关断，其最高可关断电流密度比IGCT高很多。

GATH的最高可关断电流密度，现在达到多少？还有多大的增大余量？

从小功率GATH—20N17（20A1700V,有源区4mm2）看，大功率GATH的可关断电流密度超过300A/cm2，最终可能达到500--700A/cm2。

超过300KW，IGBT难，IGCT也难。只有GATH容易。

逆导型RC-IGCT，按照ABB规格书，不能够工作在零度以下。RC-IGBT，只能够用于中小功率软开关，否则容易闩锁。RC-GATH，则不受影响。

IGBT，由于闩锁，既难高压，又难串联，只能够做±500KV超高压柔直。而GATH能够做±800KV特高压柔直。

IGCT现在的各种缺点如需要庞大的di/dt吸收回路、驱动功率大、重触发、复杂的上下电逻辑关系等等，GATH因为原包细微，都避免了，其驱动线路跟IGBT差不多，仅靠简单的逻辑线路即可完成开关驱动。

进口IGBT比国产IGBT贵几倍，而国产的IGBT的失效率也比进口IGBT高几倍。采用GATH，不管对进口IGBT还是对国产IGBT，失效率Fit，都降低至少一个数量级。

6.1.4 GATH应用注意的关键问题

GATH的最大问题是，超过其最高可关断电流可能因关不断而烧毁。短路瞬间，电流会急速增大，必须在超过其最高可关断电流之前开断。

需要做的是，把GATH的最高可关断电流尽可能提高，整机公司要做的是，发现短路要立刻关断，或立刻转入限流等故障处理程序，确保GATH在电流达到最高可关断电流之前开断。

断路器有一个限流电感，限制电流上升速度，并能够根据这个上升速度，计算出开断时间。在短路电流不大于额定电流5倍的时候指令功率管开断。

这对GATH断路器可能很重要，GATH的短路电流可能非常大，比IGBT大十倍。IGBT能够自动限制短路电流为额定电流的7--8倍。GATH可能达到70--80倍。所以，要有限制电流上升速度并及时开断的措施。

6.2  GATH在轨道交通中可靠性优于IGBT

GATH在轨道交通牵引应用中，失效率能够比IGBT降低1-2个量级以上。

6.2.1 IGBT在轨道交通中的问题

电气失效则是由于过压、过流、温度过高或动态 负载等原因引起的失效。

6.2.1.1电压

《研究》用的2个IGBT是3300V/1200A 并联。

从图1（蓝色线）可以看见，母线电压1400V，失效率为1Fit，2100V为3000Fit。即母线电压降低2/3，失效率降低3000倍，或者说，降低到1/3000。

GATH替代IGBT，就具有非常强悍的抗母线电压浪涌能力。能够抗击超过耐压一倍的浪涌。相当于把IGBT的耐压提高了一半。也相当于把应用IGBT的母线电压降低了1/3.原来2100V母线电压的失效率降低到只有1400V的失效率。降低了3000倍。

英飞凌公司给出了第2代IGBT的失效率曲线（见图1）， 在中间电压 1800 V 时的失效率为 100 Fit，而当电压上升至 2000 V 时，失效率则上升至 1100 Fit 以上。

6.2.1.2电流

《研究》说明，轨道交通牵引应用时常常发生过电流，在低温下，并联的各个IGBT更加难均流，有的IGBT过电流严重，导致过电流保护后，重新启动失效烧毁。

采用GATH替代，则能够有效解决。

1、GATH能够自动均流。GATH导通是晶闸管，而且工作在零温度系数区域，所以，各个并联的GATH模块的电流不受环境温度和驱动信号强弱的影响，自动均流。

2、GATH因为管芯微细，驱动内阻小，驱动能力非常强，比IGCT高3个数量级。不管环境高温低温，不管上坡下坡重载轻载，都能够轻松启动。没有IGBT不能重新启动的问题。  

根据运营经验，最大电流用到 IGBT 定额的一半，峰值电流在定额电流以下时，其可靠性将会大幅提高，这在内燃机车、动车和城轨列车上已经得到证实。

由于网压波动及功率冲击等原因，常常会使IGBT 过流，致使其过流保护动作，变流器封锁，同时主断路器分断，如果此时机车正好处于重载且上坡时，往往会使重新启动失败，导致机破事故。

由于结构上的原因，变流器模块上不同位置的IGBT的温度会有一定差异，这会导致并联时的均流性变差。同样，当并联时某个 IGBT 性能有所降低时，其均流性能也会受到影响。在低温状态下，均流效果比高温时差。

6.2.1.3温度

一般认为，温度上升10度，功率管的失效率增加一倍。温度上升25度，失效率增加5倍。

GATH的最高工作温度200度，IGBT  175度。GATH比IGBT高25度。

设GATH 200度的失效率跟IGBT  175度的失效率相当，可以得到，在相同的温度下，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功率循环PC 

则主要影响键合线及其焊点。

图2 PC试验曲线

假设机车年运行300天，每天功率循环50次，那么 50 K结温升的寿命是60年，60 K结温升的寿命是20年，70 K结温升的寿命是10年。

从图2和原文，可以看到，温升从70度降低到50度，即降低20度，寿命从10年增加到60年。即增加了6倍。

使用GATH，最高结温可以降低20度。理由是：IGBT的最高结温，在E焊块部位。焊块的温度比其他部位的温度高20度以上。因为IGBT焊块同时接受双重加热，一个是管芯发热，一个是焊块的焊丝发热。而GATH的E（即K）焊块下面，没有有源区，只有焊丝发热，没有管芯发热。所以，GATH的最高结温比IGBT低20度。

GATH最高结温低20度，寿命增加6倍。

综合上面4条优势，只计算电压V、温度T和功率循环PC这3条，GATH的失效率就比IGBT降低300*5*6~10000倍（按照降低1-2个量级估计）

6.2.1.5短路

电压型功率管的短路耐受能力很弱，按uS计。电流型功率管的短路耐量很强，高1000倍，按mS计。

IGBT的短路耐量是10uS，SIC MOS是5uS，3uS，2uS。IGCT是10mS。GATH可以看作是微细元胞的IGCT。预计也能够达到IGCT的10uS。比IGBT和SIC MOS持续时间长1000倍。GAT在短路状态下，能够自行保护，预计持续时间也大大超过IGBT和SIC MOS。

短路耐量差异千倍的原因可以归结为架构决定的通道大小。绝缘栅架构的通道是栅下面5nm厚度的表面沟道。电流在沟道区域被压缩了千倍。而联栅架构的通道是内部通道，至少5um，比沟道宽敞1000倍，电流在内部通道区没有被压缩。所以，当短路发生时，数倍工作电流的短路电流在表面沟道区域被压缩千倍就很快热崩，而数倍工作电流的短路电流在内部通道区域没有被压缩。所以，能够持续前者千倍的时间。

焊接型IGBT失效后，常常开路。而焊接型GATH失效后，是短路。

因为IGBT的绑定线焊在元包上面，焊点温度最高，既有元包的发热，又有铝线的发热。IGBT烧毁可能导致绑定线烧断。而GATH的焊点发热最低，只有铝线发热，没有元包发热，因为焊点下面没有元包。所以，GATH烧毁，绑定线不会断裂。

焊接型封装比压接型封装成本降低一半。采用失效短路的焊接型GATH，有助于把柔直成本降低到有性价比竞争力的地位，从而有利于柔直的普及推广。焊接型GATH的失效短路模式，为柔直推广提供一种高可靠低成本的技术方案。

焊接型GATH成功之后，如应用需要，可设计芯片焊点部分做压接式，封装压接型GATH模块。

6.2.1.6 GATH对IGCT的优势

GATH是一种微细元包的IGCT。元包大小只有IGCT的1/1000，驱动内阻也只有IGCT的1/1000。因此，驱动简便，功耗低，控制力强，可靠性高。

（一）驱动简便，功耗低，规格低。

1、IGCT的开通驱动需要2次，才能够完全开通。关断驱动，有的应用场景也需要2次。整个驱动线路复杂。而GATH的开通驱动和关断驱动跟IGBT那样，只需要简单的逻辑线路，开关一次即可。

2、GATH的关断功耗只有IGCT的10%。

  IGCT的关断电压          22V

  GATH的关断电压         4.5--5V

  IGCT的关断电量          I*2µS

  GATH的关断电量         I*0.5µ

  按照上述数据，GATH的关断功耗只有IGCT的6%。

3、IGCT关断驱动采用的电解电容和低压MOS的规格高，电压规格50V。因为关断电压22V。

  GATH关断驱动采用的电解电容和低压MOS的规格低，电解电容可以16V，低压MOS可以16--25V。因为关断电压不到IGCT的1/4。

（二）GATH的可靠性、鲁棒性比IGCT高

1、温度范围

   IGCT最高140°C，GATH最高200°C。

   IGCT的最低工作温度，按照英飞凌报告，不能够低于0°C。低温下，IGCT容易出事。常温下，IGCT还需要开通触发2次，才能够完全导通。低温下，就可能出现不完全导通，结果，功耗剧增。

2、 IGCT的最高可关断电流密度不高，<100A/CM2

   GATH的最高可关断电流密度至少是几百  A/CM2。

   IGCT  4500V  4000A，用4吋芯片。

   4000A，是最高可关断电流，而平均最大电流，即可使用最大电流是1700A。

   4000A电流，有源区至少50cm2，电流密度只有80A/cm2。

3、IGCT过电压雪崩仍然有可能“误触发”，GATH实际不可能误触发。

4、GATH 采用逆导型，不仅功率提什30%，而且更加可靠。IGCT未见逆导型。

6.2.1.7 GATH关断电源的要求

以5000A 4500V GATH的关断为例。

一般功率管的实际使用电流，是额定电流的40%，即5000A的GATH，实际使用2000A。需要关断的电流是2000A。

不过，我们还是以关断5000A计算，考察对关断驱动线路各个元器件的要求。

图3 GATH驱动接口线路图

设定1μS把5000A从阴极转换到门极。即1μS门极的驱动拉走的电流5000A。拉走的电荷量Q=I*t=5000A*1μS=5000μ库伦。

（从关断波形图测算，转换时间约0.5μS，拉走的电荷量小一半，只有2500μ库伦）

1、电解电容C2

取5000*10μF   35V——1600μF   35V的电解电容30个，拉走5000μ库伦导致的电解电容的电压降低V

Q=CV

V=Q/C=5000μ库伦/50000μF=0.1V

即电解电容只降低0.1V，就完成从阴极拉走5000A出门极的工作。

注意：关断驱动实际是电解电容放电完成的，不是驱动线路完成的。电解电容只需要下降0.1V就可以了。

2、对驱动关断电源的要求

柔直的MMC频率是100-200Hz。

按照200Hz计算，周期是5mS。因为关断驱动只用1μS，即在5mS的周期内，只有1μS放电，其余的时间都在充电，粗略估算，放电时间就忽略不计了。

最低充电电流5000μ库伦/5mS=1A

即 关断电源的电流容量只需要1A，就可以了。

给出10倍的余量，关断电源也需要10A。

一个5V 10A的电源，要求不算高。

3、NMOS T2的关断控制

用35V 2500A的规格。一个35V NMOS，最大160A。16个并联。

4、电解电容和NMOS的耐压规格都可以降低到16V。

5、如果电解电容只用5000μF，关断瞬间电容的电压降低1V，也是可以的。

6、如果NMOS的电流容量规格小一些，影响的只是转换时间延长一些。对低频工作没有多大影响。转换时间即使长达10μS，对5mS的开关周期来说，也是可以的。

从以上分析，可以看到，GATH关断驱动的要求并不高。

6.2.1.8 GAHT芯片的研发步骤（三步走）

1、4500V 150A RCGATH（6吋）

现有工艺不用调整，设计一次复合板，一次工程批就可定型封装模块。

可封装GATH模块功率相当于IGBT 6500V 3000A模块。

2、6500V 100A RCGATH（6吋）

增加高压工艺（采用双场板+场限环/多区 JTE终端），以及衬底选择，确保耐压7000V以上。

可封装GATH模块功率相当于IGBT 8000V 2000A模块。

3、8000V 200A （8吋线）

调整产线，从6吋线上到8吋线。单颗芯片芯片尺寸从6吋线15*15mm2增加到8吋线的32*25mm2。

可封装GATH模块8000V 6000A相当于IGBT 12000V 6000A模块。

表1 GATH单颗芯片

备注：1. GATH已有1200V 50A/150A/600A，1700V 100A/200A/400A芯片产品。

1. 4500V GATH芯片减薄可做3300V GATH。

6.3 GATH在柔直中的优势

6.3.1 IGBT在柔直中的局限

要求张北柔直输电工程采用4500V/3000A压接型IGBT达到了±500kV/4500MW的世界领先水平。但是很难靠IGBT进一步提高柔直工程的水平，而采用GATH能够稳妥完成。要提高柔直的输出电压水平，就需要增加MMC的串联数量，或提高功率管的耐压水平。IGBT因为闩锁问题，不能够解决。而GATH没有闩锁问题，即可以采用增加MMC串联数量的方法，也可以通过制成6500V和8000V的高压产品解决。要提高柔直的输出功率，就需要提高功率管的电流规格，IGBT的电流密度比较低，只能够通过并联更多的芯片来提高模块的电流。而GATH的电流密度比IGBT高一倍以上，无需增加并联的芯片数量，就可以把模块电流从3000A提升到5000A。IGBT的并联很难均流，因为IGBT的电流对驱动信号的大小、环境温度的高低和芯片工艺的分散性相当敏感。而GATH具有自动均流的特质，更容易通过并联获得更大的电流容量。

张北柔性直流输电示范工程是世界首个柔性直流电网工程，也是世界上等级最高、输送容量最大的柔性直流工程。柔直电网的关键设备如换流阀，直流断路器等直流设备均依托IGBT。IGBT既是柔直电网最核心的一环，也是最脆弱的一环。IGBT的故障电流耐受能力相当弱，只有额定电流的2倍。张北柔直采用压接式4500V/3000A的IGBT，其耐受能力只有6KA/mS，与晶闸管10倍于故障电流耐受能力，相差甚远。根本原因是IGBT的架构必定埋藏着一个叫做“闩锁”的失效模式。由于闩锁，IGBT的耐压做不高，耐压越高越容易闩锁。所以，张北柔直只用4500V，而GATH可以做8000V。GATH抗过电压雪崩耐量是IGBT的十倍。一只8000V GATH等于两只4500V IGBT的串联。抗高压的耐力，GATH是晶闸管，其电流容量是IGBT的2-3倍，3000A的IGBT芯片能做6000A以上的GATH。

所以，假如张北柔直工程的MMC架构不变，采用8000V/6000A 的压接式GATH替代 4500V/3000A 的压接式IGBT，则整个柔直电网的电压输出增大一倍，从±500KV增加到±1000KV，柔直电网的额定输出能力450万千瓦能够增大3倍，达到1800万千瓦。更重要的是故障率将下降一个数量级。因为GATH就是一款先进的IGCT，IGCT的故障电流耐受能力达到8倍额定电流，耐受时间长达20mS，所以，GATH也能够这么刚硬。

实现“双碳”目标必须发展风光能源，相应的电网转型就需要成本比，采用柔性输电。

当前，柔性直流输电成本比较高，是常规直流输电的1.5倍，高成本与采用IGBT有很大关系。

IGBT的成本占了柔直换流阀造价的40%，而且压接式IGBT的耐压不够高，只有4500V，需要串联更多的功率管。而且IGBT的电流也不够大，只有3000A，需要并联更多的IGBT。IGBT的鲁棒性低，抗过电压雪崩的能力和抗短路的能力比较弱，也容易受电磁干扰而失效。上述种种问题增大了换流阀的体积重量，提高了变电站造价。

GATH能够解决上述问题。比起IGBT，GATH的耐压可以做到耐压高一倍，电流增大一倍，成本降低一半，鲁棒性提高十倍。从而可以把柔直换流阀的体积和重量减少一半以上，大大降低柔直成本。更加突显柔直的优势。

6.3.2 GATH在柔直中的优势

6.3.2.1 GATH能够做8000V高压产品

IGBT的主要问题是“闩锁”。耐压越高，终端宽度越大，约容易引发闩锁。所以，中国张北柔直只采用4500V压接式IGBT，而6500V就容易闩锁，世界上也没有8000V IGBT产品。

IGBT由于过电压雪崩容易引发闩锁失效，所以，应用IGBT必须留有足够的耐压余量。如果柔直 600MW，直流电压+-200KV，直流电流1500A，一共采用160个功率模块，80串2并排列。其耐压的总和达到360KV。耐压余量达到44%。而GATH因为没有“闩锁”问题，抗雪崩电流冲击的能力比IGBT高十倍。所以，耐压余量留30%就够了。因此，8000V GATH可以等效10000V IGBT。

6.3.2.2.GATH可以做5000A大电流

GATH导通是双向注入载流子，而IGBT导通只是单向注入载流子。所以，GATH的电流密度比IGBT高得多，越是高压产品，高阻层越厚，双向注入的电流能力比单向注入的电力能力强得更多。同样尺寸的芯片，GATH的电流规格达到IGBT的2-3倍。

IGBT是电压型器件。只要有一个针孔栅穿，整个芯片报废。而GATH是电流型器件，则没有这个问题。所以，IGBT芯片做不大。芯片太大了，良率太低。国产6500V IGBT商用产品。只做到25A。而GATH则可以做满曝光视场的大芯片，用8吋线晶圆，GATH单个芯片可做到6500V 300A或者是8000V 200A。因此，GATH压接式可以做到5000A。

6.3.2.3 GATH成本仅为IGBT的一半

GATH采用平面工艺，不仅工艺简单、成熟，而且良率极高，即使做高压大功率芯片，也很少不良品。所以成本低廉，不到IGBT的一半，便于大规模推广。

6.3.2.4 GATH的鲁棒性比IGBT高十倍6.3.2.5 GATH的最高工作温度200℃

IGBT最高工作温度只有175℃，因此温度越高，IGBT越容易闩锁。

GATH没有闩锁问题，可以在200℃下工作。

6.3.2.6 GATH更适于并联获得大电流

IGBT是晶体管，输出电流的大小与功率管的加工工艺的分散性、驱动电压的分散性和功率管实际结温有很大的关系。所以，在并联使用中，会出现各模块之间显著的差异。

而GATH是晶闸管，输出电流是锁定的与驱动无关而且GATH工作在“零温度系数区域”附近，输出电流与功率管的实际结温关系不大，也与功率管的加工工艺分散性关系不大。所以，GATH的各个模块之间、各个单元之间都是很均匀的。

6.3.2.7 GATH更适合做逆导型

逆导型，把功率管与反并二极管做在同一个芯片上，能把功率提高30%。但是，逆导型为了解决“折拐”问题，必定造成横向电场不均匀。

IGBT的主要问题是“闩锁”。横向电场不均匀，更容易发生闩锁。所以，IGBT很难实现高压大功率硬开关实现逆导型。

而GATH没有闩锁问题，鲁棒性比IGBT高十倍，不怕横向电场不均匀，容易实现适用于高压大功率硬开关的逆导型产品——RCGATH。

6.3.2.8 一些重要的性能问题

1、驱动功耗仅为IGBT的5倍

GATH是电流型器件，驱动功耗（主要是关断功耗）自然要大于电压型器件IGBT。但是，大的不多，仅为IGBT的5倍，而比IGCT小的多，只有IGCT关断功耗的1/10。

因为GATH的元胞很小，只有IGCT的0.1%，其驱动内阻比IGCT低2-3个数量级。所以，其很容易开关控制。不像IGCT那样，需要借助于外界强大“硬驱动”。

2、开关速度跟IGBT相当

GATH的关断模式跟IGBT一样，属于开基极PNP晶体管关断。实验检测证明：GATH的关断电流下降波形与拖尾跟IGBT相当。

3、GAHT的最大可控光端电流十倍于标称电流。

IGCT的标称电流，就是最大可控关断电流，因为IGCT的元胞太大了，驱动内阻比GATH高千百倍。所以，如果实际电流太大，则无法通过外力“硬关断”。

而GATH的元胞细小，很容易用比较小的驱动功率关断很大的电流。所以，能够关断标称电流十倍以上的工作电流。

4、不需要采用大的电抗来控制di/dt。

IGCT由于元胞巨大，开通瞬间有一个电流从边缘到中心的扩展速度不可控问题，所以，需要外加大的电抗。这是IGCT的主要缺点之一。而GATH的元胞细小，只有12微米，周边与中心同时开关，不存在电流扩展速度不可控问题。因此，无需外加大的电抗。

6.3.2.9结论

GAHT适用于柔性直流输电，将展现光明的前景：

* 实现（等效于IGBT的“万伏五千安”高规格）；

* 鲁棒性增加十倍，失效率降低一个数量级；

* 柔性直流输电的容量达到特高压水平；

* 柔直换流阀的重量和体积减小一半以上，成本降低1/3以上；

* 柔性直流输电成本比正常直流输电的成本还要低；

* GATH技术成熟，产品稳定，加工成本低廉，适于大规模推广。

7 结论

电能是当今世界最重要的能源形式。输电，变电，变流，都依靠功率管。功率管是国民经济的重要基础。

针对高压大电流场景现有主流功率器件IGBT、IGCT不足之处，设计开发的联栅晶闸管GATH，解决了应用场景对功率器件要求的高功率、高可靠以及成本降低。

联栅功率管是一种静电感应型功率管与双极型功率管的复合型功率管。联栅功率管分为联栅晶体管GAT和联栅晶闸管GATH两类，都是采用了联栅架构。联栅架构的特点是：多晶硅发射极和栅上无铝仅在栅区汇流条上面布铝的结构，从而得到了元胞细小的结果。

GATH具有抗浪涌能力强、短路保护能力强、最高工作温度高、高电流密度、高功率密度、低导通损耗、低成本等优势。未来将推动我国电力电子技术的发展，促进电网系统的双碳目标的进一步实现。

高压GATH模块未来可以在柔直、高压短路器、轨道交通、风电、冶金、高压变频等领域进一步推广，具有显著的社会、经济效应。

附录一 GATH隔离脉冲驱动线路