第56讲：HVIGBT在直流输电中的应用（二）

//讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

1.1 基于HVIGBT的模块化多电平换流器

(MMC-VSC)

模块化多电平换流器(MMC)的电路拓扑如图12.3 a所示。其桥臂不是由多个开关器件直接串联而成，而是采用了子模块(Sub-Module, SM)的级联方式。它的工作原理与两电平和三电平换流器不同，它不是采用PWM来逼近正弦波，而是采用阶梯波的方式来逼近正弦波，器件的开关频率显著降低，一般不会超过200Hz, 与两电平或三电平换流器相比，损耗成倍下降，因此应用越来越普遍。

图12.3 模块化多电平换流器(MMC-VSC)及子模块(SM)的电路拓扑

1.1.1 模块化多电平换流器的工作原理

不同于两电平和三电平的电压源换流器，模块化多电平换流器的桥臂不是仅能执行开关动作的阀，而是连接在换流器直流母线和交流输出端的可控电压源。换流器通过控制上下桥臂导通的子模块的数量，从而控制桥臂电压的输出。而桥臂中子模块的状态，则由子模块内部HVIGBT的开关状态来决定。

MMC子模块(SM)工作原理MMC的子模块一般采用半桥电路结构，如图12.3 b所示。T1和T2代表IGBT，D1和D2代表IGBT的反并联二极管，C0代表子模块的直流侧电容，uC为电容器的电压，usm和ism分别为子模块的输出电压和输出电流。子模块共有三总工作状态，如表12.1所示。状态1：两个IGBT模块都是关断的；状态2：IGBT1是导通的，IGBT2是关断的；状态3：IGBT1是关断的，IGBT2是导通的。

表12.1 模块化多电平变流器子模块工作状态
状态1为非正常工作状态，称为闭锁状态。T1和T2都关断，因此子模块的工作状态决定于二极管的导通状态。当D1导通时，电流经过D1向电容器充电，常用于设备启动时向子模块电容充电；当D2导通时，电流经过D2将电容器旁路。
状态2为子模块投入状态，子模块的输出电压为电容电压Uc。当电流方向为正时，电流通过D1向电容充电，T1虽然开通，但是没有电流流过；当电流为负时，电流通过T1将电容放电。
状态3为子模块切除状态，子模块的输出电压为0。当电流为正时，电流流过T2将子模块旁路；当电流为负时，电流流过D2将子模块旁路。
模块化多电平换流器子模块工作状态表，如表12.2所示：
表12.2 模块化多电平换流器子模块工作状态表
由以上信息可知，子模块内各HVIGBT的开通和关断时间是不一样的，因此在MMC的不同输出状态，子模块中不同位置的HVIGBT的功率损耗也是不一样的。

MMC的工作原理
以一个简单的MMC结构相模块的工作状态来说明当MMC工作时相电压的输出控制。
如图12.4，每一个相模块内上下桥臂各有4个子模块，则MMC输出为5电平。MMC工作时，直流母线PN之间的电压为Udc，直流母线的中点电位为0，则P端相对中点的电位为+Udc/2, N端相对中点的电位为-Udc/2；图中实线表示上桥臂电压upa，虚线表示下桥臂电压una，粗实线表示交流侧输出电压uva。
通过控制上下桥臂中投入和切除的子模块的数量，就可以调节upa和的una值，从而调节交流侧的输出电压，从图中的趋势不难看出，随着子模块数量的增加，输出的电平的数目将增加，输出电压uva将逼近正弦波。
图12.4 5电平MMC相单元工作原理图
每个相单元的子模块数量是2n，在MMC工作时，任一瞬间每个相单元投入的子模块数为n。
设H为上桥臂投入的子模块个数，L为下桥臂投入的子模块个数，则：

1.1.2 模块化多电平换流器中HVIGBT的选择

HVIGBT的选择要考虑多方面的因素，通常情况下，当一个换流器的电压等级和传输功率确定后，应该先确定HVIGBT的电流等级，再确定HVIGBT的电压等级，除非系统对子模块的串联级数有要求。因为选用的HVIGBT电压等级越高，其相单元串联的子模块级数越少；但是相同封装的HVIGBT电压等级越高，其电流容量越小，如果单纯为了减少子模块的串联级数，有可能造成单只HVIGBT的电流容量不足，需要HVIGBT并联使用，从而造成HVIGBT数目增加。

HVIGBT电流等级的选择在MMC换流器中，HVIGBT在不同的工作状态下其电流是不一样的，因此我们常计算子模块的电流，以此来作为HVIGBT电流的选型依据，这样选对HVIGBT来说是留有余量的，因为子模块的电流其实代表的是其内部两只HVIGBT的电流。在计算MMC子模块的电流时，一般从安全工作区和功率损耗两方面进行考虑。考虑安全工作区的时候，我们要考虑的是子模块的最大暂态电流；而计算功率损耗的时候，我们要考虑的是子模块的有效电流。

图12.5 MMC运行时电压及电流示意图

如图12.5所示，当MMC运行时，交流输出电流Ig(g=a,b,c)可以由下式求得：其中：P：换流器的传输功率；Udc:换流器的传输电压；M：直流电压利用率, 为输出线电压的峰值与Udc的比值；因此上、下桥臂中的电抗器L0相等，因此交流电流Ig在上、下桥臂间均分，流过上、下桥臂的电流为Ig/2。
MMC传输的总直流电流为Idc, 因为电路结构平衡，则各桥臂内的直流电流为Idc/3, Idc可由下式求：
由以上得出，流过各上桥臂的暂态电流Ig1和流过下桥臂的暂态电流Ig2如下：

考虑到Ig的峰值，因此正常情况下流过子模块的最大暂态电流为：

在此电流的基础上，考虑到MMC的过载运行状态，就可以得出子模块的最大暂态电流，从而对HVIGBT的安全工作区是否合适进行判定。
在计算功率损耗时，我们一般考虑的是子模块的有效值，可以按照下式求得：

HVIGBT电压等级的选择在HVIGBT的电流确定之后，我们可以从HVIGBT厂家的目录中寻找电流合适的HVIGBT，这个时候，有可能同一电流等级的HVIGBT存在多个电压等级。HVIGBT的电压等级需要考虑以下几点：
首先，要考虑换流器的设计要求，如果换流器设计要求子模块的级数尽可能少，那么就选择高电压等级的HVIGBT，一般情况先，子模块的级数少，结构设计和控制都相对简单，可靠性比较高。
其次，如果换流器对成本的要求比较高，那么就需要对不同电压等级HVIGBT分别进行计算成本，最终选择成本低的。一般情况下，同一电流等级的模块，电压越高，成本越高；而且饱和压降也越大，导致损耗增大。

子模块串联级数的确定
当换流器的传输电压和HVIGBT的电压等级确定后，子模块的串联级数n可以有下式求得：其中：Udc：换流器的传输电压；uC：子模块的电容电压；n求得后，可得出相单元的子模块串联级数为2n。
一般情况下，在实际设计中都要考虑冗余的设计，以便在某个子模块故障被切除时进行补充，设冗余的子模块个数为X，在MMC中，每个相单元中子模块的个数为2n+X。

1.1.3 模块化多电平换流器中HVIGBT的选择举例

下面举例说明如何根据MMC换流器的工作条件选择HVIGBT。设MMC换流器的工作条件如下：传输功率P=100MW，传输电压Udc=150kV，HVIGBT工作频率fc=150Hz。

HVIGBT电流等级的计算取M=0.85，由式12-2可以求得换流器的交流输出电流Ig如下：
由式12-3可以求得换流器的直流传输电流为：
则流过子模块的最大暂态电流由式12.5求得：
对于最大暂态电流来说，子模块和其内部的HVIGBT是相同的，因此在选择HVIGBT时要确保ISM-PEAK值在HVIGBT的安全工作区内。
流过子模块的电流有效值可由式12.6求得：
ISM-RMS值用来计算HVIGBT的功耗，从而进一步判断待选的HVIGBT在温升方面是否符合要求(功耗及温升的计算方法请参照第5章的内容)。另外，在前面章节已经提到，此电流值为子模块电流有效值，其值大于内部的HVIGBT，因此根据这个值来选择HVIGBT是留有余量的。

HVIGBT电压等级的选择及子模块串联级数的计算
在此设计中，根据计算出的电流值，我们初选了两种HVIGBT，一种为CM1000HC-66R，其耐压值为3300V；另一种为CM900HC-90H, 其耐压值为4500V。经过计算，两种模块的安全工作区、功耗及温升均能满足此设计的要求，因此，下一步要确定用哪种电压等级的HVIGBT比较合适。
HVIGBT的耐压等级的选择，需要考虑多方面的因素，比如成本、占地面积、控制策略以及客户要求等。采用耐压等级高的HVIGBT，子模块的串联级数就会少些，占地面积相对要小，控制相对简单；但是耐压高的HVIGBT在开关过程中会产生更高的电压尖峰，不利于HVIGBT的安全运行，而且耐压高的HVIGBT及周边器件成本通常也高。因此，HVIGBT耐压等级的选择，其实是一个折衷问题，不能一概而论。
在HVIGBT耐压等级的选择过程中，需要计算出采用不同耐压等级的HVIGBT时子模块的串联级数及需要的HVIGBT的数量，用来进行参考。
以此设计为例，如果此设计采用CM1000HC-66R, 取uC为1500V，则在桥臂中需要串联的子模块级数为：

设冗余的子模块个数为2，则每个相单元中子模块的个数为：2n+X=202
因为每个子模块中包括2只HVIGBT，换流器包括3个相桥臂，因此整个换流器中要用到的CM1000HC-66R个数为：202×2×3=1212只
如果采用CM900HC-90H, 取uC为2500V，则在桥臂中需要串联的子模块级数为：

设冗余的子模块个数为2，则每个相单元中子模块的个数为：2n+X=122
同理，因为每个子模块中包括2只HVIGBT，换流器包括3个相桥臂，整个换流器中要用到的CM900HC-90H个数为：122×2×3=732只

1.1.4 直流输电(MMC-VSC结构)专用HVIGBT

对于HVIGBT来说，由于两电平或三电平中开关频率高，要求器件的开关损耗要尽可能低；而MMC中，开关频率低，因此器件的通态饱和压降在损耗中起主要作用，因此要求器件的通态饱和压降要尽可能低。
同一功率等级的HVIGBT，厂家会根据应用领域的不同而对器件的部分参数进行有针对性的优化，比如三菱电机的4500V/1200A的HVIGBT CM1200HC-90RA，就是针对直流输电领域开发的，其较低的饱和压降确保了HVIGBT的低损耗。下图为CM1200HC-90RA与通用4500V/1200A HVIGBT参数的比较。

图12.6 CM1200HC-90RA与通用4500V/1200A HVIGBT参数的比较