基于IEGT技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)分析以及在未來的發(fā)展前景

柔性直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

世界能源環(huán)境正在發(fā)生一些新變化，對電網(wǎng)建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)，提出了新的要求，促使電網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)和革新，這些挑戰(zhàn)包括：

日益增加的光伏發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電站，這些電能是不穩(wěn)定的

二氧化碳減排，促進(jìn)了新能源的發(fā)展

電能網(wǎng)絡(luò)安全

……

高壓直流輸電是解決這些問題的最優(yōu)方案，特點(diǎn)如下：

輸送容量大：300萬千瓦~700萬千瓦

輸送距離遠(yuǎn)：可達(dá)3000公里以上

電壓等級(jí)高：200kV~±500kV

輸電走廊窄：單位線路輸電密度是交流4倍，相同功率線路造價(jià)約為交流的2/3

功率損耗低

精確的功率流動(dòng)控制

技術(shù)成熟，超過60年了

歐美國家已經(jīng)開始啟動(dòng)和強(qiáng)化高壓直流輸電電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)了：歐洲計(jì)劃在2050年前后建成以高壓直流輸電為骨干的泛歐超級(jí)智能電網(wǎng)（Super Smart Grid），以綜合利用整個(gè)歐洲、北非以及中東的可再生能源；美國在2025年前規(guī)劃40余項(xiàng)柔性直流輸電項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)大區(qū)互聯(lián)。

中國對高壓直流輸電的需求也是巨大的，主要是為了改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，從而解決火電引發(fā)的中東部地區(qū)的霧霾問題，幾個(gè)調(diào)整方案如下：

利用高壓直流輸電將西北太陽能和西南水能輸送到東部負(fù)荷中心

構(gòu)建華北-東北廣域柔性直流輸電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電柔性并網(wǎng)

利用直流輸電技術(shù)開發(fā)海上風(fēng)電

南方電網(wǎng)公司已經(jīng)確定了西電東送輸電網(wǎng)發(fā)展以直流輸電技術(shù)為主的發(fā)展路線，到2030年，廣東受端電網(wǎng)將落入12回直流甚至更多，廣西落入5回直流甚至更多。

隨著受端直流數(shù)量的進(jìn)一步增加，多回直流集中饋入，傳統(tǒng)直流帶來的受端電網(wǎng)交直流相互運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加，運(yùn)行難度進(jìn)一步加大。另外，隨著水電基地的偏遠(yuǎn)化，直流送端所接入的交流電網(wǎng)更加薄弱，傳統(tǒng)直流面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究、設(shè)計(jì)和設(shè)備制造難度加大。

因此，發(fā)展柔性直流輸電技術(shù)就顯得尤為重要了，柔性直流輸電的特點(diǎn)如下：

柔性直流在歐洲應(yīng)用比較普遍，包括聯(lián)網(wǎng)、電力輸送、風(fēng)電接入、背靠背等

柔性直流輸電工程造價(jià)、損耗已經(jīng)下降，綜合考慮占地等因素，與常規(guī)直流輸電具備可比性

柔性直流輸電對多直流饋入的受端電網(wǎng)安全意義重大，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇

柔性直流輸電換流閥采用全控功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，有塑料封裝IGBT和壓接封裝IGBT兩種，其中壓接IGBT的供應(yīng)商情況見下表一：

IEGT 技術(shù)

IEGT是東芝大功率IGBT的專用名，IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor），即：柵極注入增強(qiáng)型晶體管。傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻斷電壓，會(huì)因?yàn)榘l(fā)射極側(cè)N基區(qū)的阻抗，造成較高的導(dǎo)通損耗。東芝采用IE結(jié)構(gòu)，在發(fā)射極側(cè)N基區(qū)層形成高濃度的空穴和電子載流子，從而降低飽和壓降Vce(sat)。

東芝IEGT有兩種封裝：PMI模塊封裝和PPI壓接式封裝。榮信匯科一直使用壓接式封裝的IEGT，因此，后文里提到的IEGT專門指代壓接式封裝。

壓接式封裝更適合柔性直流輸電換流閥，其主要特點(diǎn)如下：

高可靠性來自于雙面散熱，內(nèi)部芯片無引線鍵合，不會(huì)因?yàn)閷?dǎo)線焊接形成的分層結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生元件開裂

內(nèi)部抽真空，注入惰性氣體，確保長期可靠性

傳統(tǒng)的圓形封裝有利于壓接的平整度

有利于多顆器件的串聯(lián)應(yīng)用

陶瓷外殼封裝的防爆性能優(yōu)于PMI

東芝1995年推出第一款I(lǐng)EGT產(chǎn)品，到目前為止，電流等級(jí)400A~3000A，電壓等級(jí)1700V~4500V。

榮信匯科在柔性直流輸電換流閥成功應(yīng)用IEGT

柔性直流輸電換流閥多采用MMC VSC（模塊化多電平電壓源型變流器）方案，共6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由多個(gè)相同的功率模塊串聯(lián)組成，這種方案的優(yōu)點(diǎn)包括：諧波少，高頻噪音低，開關(guān)損耗低等。功率模塊電路拓?fù)浒ǎ喊霕?、全橋、鉗位雙橋等。

榮信匯科從2008年開始研發(fā)基于東芝IEGT的功率單元，并成功應(yīng)用于大容量變頻器、大容量STATCOM、大容量柔直換流閥等多個(gè)領(lǐng)域。

主要工程業(yè)績見下表二：

柔性直流輸電換流閥對于可靠性要求非常高，因此，榮信匯科一直堅(jiān)持使用IEGT，相比于塑料模塊IGBT（PMI），IEGT的可靠性體現(xiàn)在：

PMI失效后呈現(xiàn)開路狀態(tài)；IEGT失效后呈現(xiàn)短路狀態(tài)。

PMI外殼采用塑料材質(zhì)，耐受內(nèi)部的高溫高熱能力弱，容易開裂；IEGT外殼采用陶瓷，不容易開裂。

PMI壽命短，原因是器件內(nèi)部有容易老化的焊接層和連接線；IEGT內(nèi)部既沒有焊接層也沒有連接線。

PMI內(nèi)部的二極管浪涌能力弱，無法承受直流側(cè)短路所產(chǎn)生的故障電流。IEGT外配壓接式二極管，可以解決這個(gè)問題。

榮信匯科在南澳多端柔直塑城站換流閥采用了半橋功率模塊，其系統(tǒng)原理圖（圖1）如下：

圖1 多端柔直塑城站換流閥半橋功率模塊系統(tǒng)原理圖

基于IEGT的半橋功率模塊原理圖（圖2）如下，T1和T2是東芝85mm IEGT，內(nèi)部無二極管，D1和D2是英飛凌的85mm二極管。

圖2 基于IEGT的半橋功率模塊原理圖

IEGT功率模塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)

下面將分幾個(gè)方面介紹這個(gè)半橋模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計(jì)

這個(gè)半橋模塊所采用的IEGT內(nèi)部沒有二極管，外配一款英飛凌的二極管，接觸面尺寸相同。兩只IEGT，兩只二極管，一只晶閘管，連同6塊散熱器，壓成一串。左側(cè)是直流母排和電容，右側(cè)是電源和控制板卡。散熱器兩個(gè)面都具備散熱能力，散熱器表面的溫度是均勻的。下圖是結(jié)構(gòu)布置示意圖（圖3）：

圖3 結(jié)構(gòu)布置示意圖

使用晶閘管作為旁路開關(guān)

晶閘管與直流側(cè)電容并聯(lián)，當(dāng)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā)晶閘管，晶閘管擊穿失效后，可以保持穩(wěn)定短路失效模式，就是失效后依然能穩(wěn)定的導(dǎo)通電流，這樣在二極管和晶閘管之間就形成了穩(wěn)定的電流通路，旁路成功。值得注意的是，只有采用壓接式IGBT和壓接式二極管才具備直流側(cè)晶閘管旁路的可能性。這個(gè)方案是榮信匯科的專利技術(shù)。

換流分析

對于全控型器件，例如MOSFET，IGBT，IGCT，關(guān)斷的時(shí)候，電流被切換到對應(yīng)的續(xù)流二極管，在這個(gè)過程中，IGBT兩端會(huì)產(chǎn)生電壓過沖，從電路分析角度看，這個(gè)過沖是換流路徑里的雜散電感導(dǎo)致的。電壓過沖與雜散電感成正比，與電流下降變化率成正比。電壓過沖越大，關(guān)斷損耗越大，電場擊穿的風(fēng)險(xiǎn)越高，因此，在設(shè)計(jì)中需仔細(xì)評(píng)估雜散電感，不宜過大。

在IGBT開通的時(shí)候，負(fù)載電流從續(xù)流二極管切換到IGBT，由于二極管存在反向恢復(fù)電流，導(dǎo)致IGBT存在電流過沖，過沖大小與開通電流變化率有關(guān)。

功耗和結(jié)溫

IEGT在工作的時(shí)候要開通電流，導(dǎo)通電流和關(guān)斷電流，內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片會(huì)發(fā)熱，熱量需及時(shí)的通過水冷散熱器傳導(dǎo)出去，否則芯片會(huì)過熱損壞。首先需要按照工況對發(fā)熱量（功耗）進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，然后計(jì)算芯片的溫度，通過恰當(dāng)合理的散熱設(shè)計(jì)，保證芯片溫度不超過器件廠家的推薦最大值，維持較低的失效率。在柔直系統(tǒng)里，有整流和逆變等不同工況，功率模塊的總功耗和單個(gè)器件的功耗也隨之不同，尤其需要注意的是，上橋臂和下橋臂的功耗不同，上下橋臂器件處于不對稱運(yùn)行狀態(tài)。

柔性直流輸電的前景

中國的柔性直流輸電剛剛起步，發(fā)展速度很快，前景美好，預(yù)計(jì)將取代交流輸電和傳統(tǒng)直流輸電，成為主流輸電技術(shù)。柔性直流輸電換流閥采用全控型功率開關(guān)IGBT，相比于塑料封裝IGBT和方形壓接式IGBT，圓形壓接式IGBT具有顯著的優(yōu)勢。

東芝在圓形壓接式IGBT方面的技術(shù)實(shí)力、器件品質(zhì)和工程業(yè)績首屈一指，而作為東芝IEGT的最大客戶，榮信匯科已經(jīng)在柔性直流輸電、大功率變頻器、大容量STATCOM等領(lǐng)域廣泛采用了IEGT器件，應(yīng)用時(shí)間超過10年，IEGT使用數(shù)量超過2.5萬片，工程項(xiàng)目超過50個(gè)，客戶遍布全球。

在全球范圍內(nèi)，東芝是IEGT設(shè)計(jì)制造的首席專家，榮信匯科是圓形壓接式IGBT（包括IEGT）的首席應(yīng)用專家，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，必將共創(chuàng)更美好的明天。