柔性直流輸電領域的發展趨勢

世界能源環境正在發生一些新變化，對電網建設帶來了新的挑戰，提出了新的要求，促使電網進行改進和革新，這些挑戰包括：

日益增加的光伏發電站和風力發電站，這些電能是不穩定的

二氧化碳減排，促進了新能源的發展

電能網絡安全

……

高壓直流輸電是解決這些問題的最優方案，特點如下：

輸送容量大：300萬千瓦~700萬千瓦

輸送距離遠：可達3000公里以上

電壓等級高：200kV~±500kV

輸電走廊窄：單位線路輸電密度是交流4倍，相同功率線路造價約為交流的2/3

功率損耗低

精確的功率流動控制

技術成熟，超過60年了

歐美國家已經開始啟動和強化高壓直流輸電電網規劃和建設了：歐洲計劃在2050年前后建成以高壓直流輸電為骨干的泛歐超級智能電網（Super Smart Grid），以綜合利用整個歐洲、北非以及中東的可再生能源；美國在2025年前規劃40余項柔性直流輸電項目，以實現大區互聯。

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結構，從而解決火電引發的中東部地區的霧霾問題，幾個調整方案如下：

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荷中心

構建華北-東北廣域柔性直流輸電網，實現大規模風電柔性并網

利用直流輸電技術開發海上風電

南方電網公司已經確定了西電東送輸電網發展以直流輸電技術為主的發展路線，到2030年，廣東受端電網將落入12回直流甚至更多，廣西落入5回直流甚至更多。

隨著受端直流數量的進一步增加，多回直流集中饋入，傳統直流帶來的受端電網交直流相互運行風險增加，運行難度進一步加大。另外，隨著水電基地的偏遠化，直流送端所接入的交流電網更加薄弱，傳統直流面臨更多的技術挑戰，研究、設計和設備制造難度加大。

因此，發展柔性直流輸電技術就顯得尤為重要了，柔性直流輸電的特點如下：

柔性直流在歐洲應用比較普遍，包括聯網、電力輸送、風電接入、背靠背等

柔性直流輸電工程造價、損耗已經下降，綜合考慮占地等因素，與常規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安全意義重大，是改變大電網發展格局的戰略選擇

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

IEGT 技術

IEGT是東芝大功率IGBT的專用名，IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor），即：柵極注入增強型晶體管。傳統的IGBT結構所產生的阻斷電壓，會因為發射極側N基區的阻抗，造成較高的導通損耗。東芝采用IE結構，在發射極側N基區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，其主要特點如下：

高可靠性來自于雙面散熱，內部芯片無引線鍵合，不會因為導線焊接形成的分層結構而產生元件開裂

內部抽真空，注入惰性氣體，確保長期可靠性

傳統的圓形封裝有利于壓接的平整度

有利于多顆器件的串聯應用

陶瓷外殼封裝的防爆性能優于PMI

東芝1995年推出第一款IEGT產品，到目前為止，電流等級400A~3000A，電壓等級1700V~4500V。

榮信匯科在柔性直流輸電換流閥成功應用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個橋臂，每個橋臂由多個相同的功率模塊串聯組成，這種方案的優點包括：諧波少，高頻噪音低，開關損耗低等。功率模塊電路拓撲包括：半橋、全橋、鉗位雙橋等。

榮信匯科從2008年開始研發基于東芝IEGT的功率單元，并成功應用于大容量變頻器、大容量STATCOM、大容量柔直換流閥等多個領域。

主要工程業績見下表二：

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

PMI失效后呈現開路狀態；IEGT失效后呈現短路狀態。

PMI外殼采用塑料材質，耐受內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，原因是器件內部有容易老化的焊接層和連接線；IEGT內部既沒有焊接層也沒有連接線。

PMI內部的二極管浪涌能力弱，無法承受直流側短路所產生的故障電流。IEGT外配壓接式二極管，可以解決這個問題。

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功率模塊設計特點

下面將分幾個方面介紹這個半橋模塊的設計特點。

結構和散熱設計

這個半橋模塊所采用的IEGT內部沒有二極管，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。左側是直流母排和電容，右側是電源和控制板卡。散熱器兩個面都具備散熱能力，散熱器表面的溫度是均勻的。下圖是結構布置示意圖（圖3）：

圖3 結構布置示意圖

使用晶閘管作為旁路開關

晶閘管與直流側電容并聯，當功率模塊出現故障時，觸發晶閘管，晶閘管擊穿失效后，可以保持穩定短路失效模式，就是失效后依然能穩定的導通電流，這樣在二極管和晶閘管之間就形成了穩定的電流通路，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晶閘管旁路的可能性。這個方案是榮信匯科的專利技術。

換流分析

對于全控型器件，例如MOSFET，IGBT，IGCT，關斷的時候，電流被切換到對應的續流二極管，在這個過程中，IGBT兩端會產生電壓過沖，從電路分析角度看，這個過沖是換流路徑里的雜散電感導致的。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，關斷損耗越大，電場擊穿的風險越高，因此，在設計中需仔細評估雜散電感，不宜過大。

在IGBT開通的時候，負載電流從續流二極管切換到IGBT，由于二極管存在反向恢復電流，導致IGBT存在電流過沖，過沖大小與開通電流變化率有關。

功耗和結溫

IEGT在工作的時候要開通電流，導通電流和關斷電流，內部的半導體芯片會發熱，熱量需及時的通過水冷散熱器傳導出去，否則芯片會過熱損壞。首先需要按照工況對發熱量（功耗）進行準確的估算，然后計算芯片的溫度，通過恰當合理的散熱設計，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。在柔直系統里，有整流和逆變等不同工況，功率模塊的總功耗和單個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行狀態。

柔性直流輸電的前景

中國的柔性直流輸電剛剛起步，發展速度很快，前景美好，預計將取代交流輸電和傳統直流輸電，成為主流輸電技術。柔性直流輸電換流閥采用全控型功率開關IGBT，相比于塑料封裝IGBT和方形壓接式IGBT，圓形壓接式IGBT具有顯著的優勢。

東芝在圓形壓接式IGBT方面的技術實力、器件品質和工程業績首屈一指，而作為東芝IEGT的最大客戶，榮信匯科已經在柔性直流輸電、大功率變頻器、大容量STATCOM等領域廣泛采用了IEGT器件，應用時間超過10年，IEGT使用數量超過2.5萬片，工程項目超過50個，客戶遍布全球。

在全球范圍內，東芝是IEGT設計制造的首席專家，榮信匯科是圓形壓接式IGBT（包括IEGT）的首席應用專家，強強聯手，必將共創更美好的明天。