基于IEGT的MMC子模塊設計與試驗

馮 成 王大力 何 師 王 輝 潘 瑤

（1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550000；2.榮信電力電子股份有限公司，北京 100084）

柔性直流輸電技術[1-6]是電力電子技術應用領域的關鍵技術之一，作為智能電網的關鍵組成部分，其最突出特點是采用全控型電力電子器件（IGBT、IGCT、IEGT等）、電壓源型換流器以及脈沖調制技術。在柔性直流輸電系統中通常采用的是三相結構的電壓源換流器[7-10]，而基于IEGT的模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓撲結構是較為先進的換流器拓撲結構，國內目前尚未出現成熟大規模應用[11-14]。

本文主要研究基于 IEGT開關器件的 MMC技術，研究并開發一種MMC子模塊。選定并設計拓撲結構。針對MMC中的關鍵部件IEGT、直流電容器、電力二極管、放電電阻等進行器件選型及技術參數確定。對設計制造的子模塊進行多種功能試驗，著重分析換流試驗及熱穩定試驗。通過換流試驗，測評不同的板卡、器件組合，從而優化門極電路、功率模塊器件串的設計。通過熱試驗測量功率模塊的載流能力及散熱性能。所有的試驗結果均表明基于 IEGT的MMC子模塊設計合理，能滿足各種常見工況下的持續穩定運行。

1 模塊化多電平換流器（MMC）簡介

MMC模塊與其他拓撲結構的電壓源換流器模塊相比采用高度模塊化的電路結構，針對不同的功率設計的電壓等級要求通過增減接入換流器的子模塊數量來實現。所以采用 MMC結構的換流器[15-18]可以大幅縮短項目周期，節約成本。

圖1 MMC拓撲結構

三相模塊化多電平換流器（MMC）的拓撲結構如圖1（a）所示，一個換流器有六個橋臂，每個橋臂由一臺電抗器和多個子功率模塊串聯組成，每一相的上下兩個橋臂合在一起稱為一個相單元（Phase Unit）。

圖1（b）所示為一個子模塊的拓撲結構，每個子模塊有一個連接端口用于串聯接入主電路拓撲，而 MMC通過各個子模塊的直流側電容電壓來支撐直流母線的電壓。

2 MMC子模塊關鍵部件的選取

柔性直流輸電換流站的主電路參數選擇是設計的重要組成部分，子模塊是MMC拓撲中數量龐大的元件，也是構成的 MMC的核心[19-21]。換流器每個橋臂由多個功率模塊串聯構成，如圖1（b）所示，每個功率模塊的關鍵電氣部件主要有兩個壓裝式IEGT、一個直流儲能電容器、兩個二極管、一個放電電阻組成，同時還要考慮到控制電路的設計。

本文涉及到的設備選型及試驗將以額定直流電壓2500V DC、額定持續輸出電流1100A的參數做為功率模塊設計依據。

2.1 開關器件IEGT

可控關斷型電力電子器件作為換流閥的關鍵部件，直接決定了功率模塊的設計和性能，對于柔性直流輸電適用的開關器件有 IGCT、焊接式模塊IGBT、平面壓接式 STAKPAKTM IGBT和壓裝式press-pack IGBT/IEGT（如圖1所示），表1對這幾種開關器件進行了比較研究。

表1 幾種開關器件對比

通過以上對開關器件的比較研究可以得出結論，press-pack IGBT/IEGT最適應于柔性直流輸電應用。

集電極發射極正向耐壓Vce：4500V。

集電極額定電流有效值Ic(rms)：1500A。

2.2 大容量直流電容器

直流側電容是閥組的直流側儲能元件，可緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側的電壓諧波，并為受端站提供電壓支撐。同時，直流側電容的大小決定其抑制直流電壓波動的能力，也影響控制器的響應性能。設計功率單元中采用干式直流電容器，電容器內部分別充滿SF6和N2來達到滅弧和保護的目的。電容器的基本參數為額定容值5mF，標稱電壓 2800V DC，連續電流有效值 450A，雜散電感50nH。

2.3 電力二極管

功率模塊中的兩個電力二極管的基本參數為反向阻斷電壓 4500V，最大平均值通態電流 1740A，最大可承受電流變化率-dμ/dt=5000A/μs，壓裝封裝形式使得此電力二極管具有防爆性、短路失效模式及雙面散熱能力。

2.4 放電電阻

功率模塊中放電電阻承擔為直流側電容安全放電的工作，根據直流電流參數設計放電電阻參數為阻值68k?，額定功率：600W。

2.5 功率模塊控制電路的主要組成

控制電路設計是否合計是完成模塊設計功能的關鍵，控制電路需要接收裝置控制器的控制指令和數據，經過解析處理后，下發給 IEGT驅動板和觸發板等受控系統；同時收集單元的直流電壓、IEGT的狀態以及直流電容和取能電源的狀態并發送給裝置控制器。

本模塊控制部分主要由單元控制板、采樣觸發板、IEGT驅動板和高位取能電源組成。

3 MMC子模塊試驗與驗證

功率模塊試驗是驗證功率模塊設計與分析的最終手段，也是發現問題和不斷改進功率模塊設計的關鍵環節。針對設計的 MMC子模塊進行了換流試驗、熱試驗、短路保護試驗、功能試驗、局部放電及工頻耐壓等試驗項目[22]。下面選取換流試驗和熱試驗進行分析說明。

3.1 換流試驗

換流試驗用來記錄 IEGT和二極管在換流過程中的動態開關波形，通過測試和評估在不同的門極驅動板、不同外部門極電阻和門極電容組合甚至于不同門極驅動板的放置位置情況下的器件開關波形，從而達到優化門極電路設計甚至功率模塊器件串設計的目的。

本試驗是檢測功率模塊的過電流關斷時的狀態。試驗中我們使用了高位取能電源給驅動板供電，并且保持整個控制回路全部通電工作。在此次試驗進行了換流試驗驗證。

試驗波形及分析結果如圖2及表2所示。

表2 橋臂試驗結果

由表2試驗結果可以看出，在各設定輸出電流值情況下，Isw及Vpeak均小于模塊耐壓設計值，試驗結果滿足設計要求。

3.2 熱試驗

熱試驗用來驗證功率模塊是否能夠穩定運行在預定的負載電流，從而驗證功率模塊的載流能力，另外熱試驗也可以用來評估半導體器件在高結溫下的換流情況。為了考察 MMC子模塊的散熱性能，需要進行熱穩定測試。在熱穩定測試中，子模塊運行在期望的工作點，與實際系統中的工況類似。

圖2 換流試驗橋臂試驗波形

熱穩定測試采用橋臂測試（Legtest）方法，讓被測模塊輸出期望的電壓、電流和功率因數。這種測試方法至少需要兩個逆變模塊和一個電感負載。試驗臺采用三個逆變模塊（如圖3所示），分別命名為a、b、c模塊。b是被測模塊，模塊a和c并聯，各自分擔一半電流。只有模塊b工作在最大電流。

熱試驗參數設定如表3所示。

表3 熱試驗參數

圖3 熱穩定測試電路

Iout-rms=300A時，實驗持續時間8min達到熱穩定；

Iout-rms=700A時，實驗持續時間7min達到熱穩定；

Iout-rms=1100A時，試驗持續時間12min達到熱穩定。

試驗各項溫度測量結果如表4所示。

表4 熱試驗測量結果分析

從表4試驗結果可看出，熱穩定測試中模塊運行在期望點時的溫度遠小于模塊設計的結溫值，試驗結果滿足設計要求。

4 結論

MMC子模塊適合組建不同功率及電壓等級要求的柔性直流輸電設備，本文通過對 MMC子模塊的設計及試驗。

1）明確MMC閥組子模塊拓撲結構，對比不同類型開關器件選取適合大功率柔性直流輸電設備的IEGT作為子模塊的開關器件。

2）針對額定直流電壓2500V DC、額定持續輸出電流1100A的MMC子模塊，得出主要器件設計參數。

3）通過對子模塊的換流試驗及熱穩定試驗的驗證，證明采用基于 IEGT開關器件的設計完全能夠滿足原始設計參數要求及各種常見工況下的持續穩定運行。

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