充分解决世界能源环境问题：高压直流输电方案系统分析

世界能源环境正在发生一些新变化，对电网建设带来了新的挑战，提出了新的要求，促使电网进行改进和革新，这些挑战包括：

日益增加的光伏发电站和风力发电站，这些电能是不稳定的

二氧化碳减排，促进了新能源的发展

电能网络安全

……

高压直流输电是解决这些问题的最优方案，特点如下：

输送容量大：300万千瓦~700万千瓦

输送距离远：可达3000公里以上

电压等级高：200kV~±500kV

输电走廊窄：单位线路输电密度是交流4倍，相同功率线路造价约为交流的2/3

功率损耗低

精确的功率流动控制

技术成熟，超过60年了

欧美国家已经开始启动和强化高压直流输电电网规划和建设了：欧洲计划在2050年前后建成以高压直流输电为骨干的泛欧超级智能电网（Super Smart Grid），以综合利用整个欧洲、北非以及中东的可再生能源；美国在2025年前规划40余项柔性直流输电项目，以实现大区互联。

中国对高压直流输电的需求也是巨大的，主要是为了改善能源消费结构，从而解决火电引发的中东部地区的雾霾问题，几个调整方案如下：

利用高压直流输电将西北太阳能和西南水能输送到东部负荷中心

构建华北-东北广域柔性直流输电网，实现大规模风电柔性并网

利用直流输电技术开发海上风电

南方电网公司已经确定了西电东送输电网发展以直流输电技术为主的发展路线，到2030年，广东受端电网将落入12回直流甚至更多，广西落入5回直流甚至更多。

随着受端直流数量的进一步增加，多回直流集中馈入，传统直流带来的受端电网交直流相互运行风险增加，运行难度进一步加大。另外，随着水电基地的偏远化，直流送端所接入的交流电网更加薄弱，传统直流面临更多的技术挑战，研究、设计和设备制造难度加大。

因此，发展柔性直流输电技术就显得尤为重要了，柔性直流输电的特点如下：

柔性直流在欧洲应用比较普遍，包括联网、电力输送、风电接入、背靠背等

柔性直流输电工程造价、损耗已经下降，综合考虑占地等因素，与常规直流输电具备可比性

柔性直流输电对多直流馈入的受端电网安全意义重大，是改变大电网发展格局的战略选择

柔性直流输电换流阀采用全控功率半导体开关器件，有塑料封装IGBT和压接封装IGBT两种，其中压接IGBT的供应商情况见下表一：

IEGT 技术

IEGT是东芝大功率IGBT的专用名，IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor），即：栅极注入增强型晶体管。传统的IGBT结构所产生的阻断电压，会因为发射极侧N基区的阻抗，造成较高的导通损耗。东芝采用IE结构，在发射极侧N基区层形成高浓度的空穴和电子载流子，从而降低饱和压降Vce(sat)。

东芝IEGT有两种封装：PMI模块封装和PPI压接式封装。荣信汇科一直使用压接式封装的IEGT，因此，后文里提到的IEGT专门指代压接式封装。

压接式封装更适合柔性直流输电换流阀，其主要特点如下：

高可靠性来自于双面散热，内部芯片无引线键合，不会因为导线焊接形成的分层结构而产生元件开裂

内部抽真空，注入惰性气体，确保长期可靠性

传统的圆形封装有利于压接的平整度

有利于多颗器件的串联应用

陶瓷外壳封装的防爆性能优于PMI

东芝1995年推出第一款IEGT产品，到目前为止，电流等级400A~3000A，电压等级1700V~4500V。

荣信汇科在柔性直流输电换流阀成功应用IEGT

柔性直流输电换流阀多采用MMC VSC（模块化多电平电压源型变流器）方案，共6个桥臂，每个桥臂由多个相同的功率模块串联组成，这种方案的优点包括：谐波少，高频噪音低，开关损耗低等。功率模块电路拓扑包括：半桥、全桥、钳位双桥等。

荣信汇科从2008年开始研发基于东芝IEGT的功率单元，并成功应用于大容量变频器、大容量STATCOM、大容量柔直换流阀等多个领域。

主要工程业绩见下表二：

柔性直流输电换流阀对于可靠性要求非常高，因此，荣信汇科一直坚持使用IEGT，相比于塑料模块IGBT（PMI），IEGT的可靠性体现在：

PMI失效后呈现开路状态；IEGT失效后呈现短路状态。

PMI外壳采用塑料材质，耐受内部的高温高热能力弱，容易开裂；IEGT外壳采用陶瓷，不容易开裂。

PMI寿命短，原因是器件内部有容易老化的焊接层和连接线；IEGT内部既没有焊接层也没有连接线。

PMI内部的二极管浪涌能力弱，无法承受直流侧短路所产生的故障电流。IEGT外配压接式二极管，可以解决这个问题。

荣信汇科在南澳多端柔直塑城站换流阀采用了半桥功率模块，其系统原理图（图1）如下：

图1 多端柔直塑城站换流阀半桥功率模块系统原理图

基于IEGT的半桥功率模块原理图（图2）如下，T1和T2是东芝85mm IEGT，内部无二极管，D1和D2是英飞凌的85mm二极管。

图2 基于IEGT的半桥功率模块原理图

IEGT功率模块设计特点

下面将分几个方面介绍这个半桥模块的设计特点。

结构和散热设计

这个半桥模块所采用的IEGT内部没有二极管，外配一款英飞凌的二极管，接触面尺寸相同。两只IEGT，两只二极管，一只晶闸管，连同6块散热器，压成一串。左侧是直流母排和电容，右侧是电源和控制板卡。散热器两个面都具备散热能力，散热器表面的温度是均匀的。下图是结构布置示意图（图3）：

图3 结构布置示意图

使用晶闸管作为旁路开关

晶闸管与直流侧电容并联，当功率模块出现故障时，触发晶闸管，晶闸管击穿失效后，可以保持稳定短路失效模式，就是失效后依然能稳定的导通电流，这样在二极管和晶闸管之间就形成了稳定的电流通路，旁路成功。值得注意的是，只有采用压接式IGBT和压接式二极管才具备直流侧晶闸管旁路的可能性。这个方案是荣信汇科的专利技术。

换流分析

对于全控型器件，例如MOSFET，IGBT，IGCT，关断的时候，电流被切换到对应的续流二极管，在这个过程中，IGBT两端会产生电压过冲，从电路分析角度看，这个过冲是换流路径里的杂散电感导致的。电压过冲与杂散电感成正比，与电流下降变化率成正比。电压过冲越大，关断损耗越大，电场击穿的风险越高，因此，在设计中需仔细评估杂散电感，不宜过大。

在IGBT开通的时候，负载电流从续流二极管切换到IGBT，由于二极管存在反向恢复电流，导致IGBT存在电流过冲，过冲大小与开通电流变化率有关。

功耗和结温

IEGT在工作的时候要开通电流，导通电流和关断电流，内部的半导体芯片会发热，热量需及时的通过水冷散热器传导出去，否则芯片会过热损坏。首先需要按照工况对发热量（功耗）进行准确的估算，然后计算芯片的温度，通过恰当合理的散热设计，保证芯片温度不超过器件厂家的推荐最大值，维持较低的失效率。在柔直系统里，有整流和逆变等不同工况，功率模块的总功耗和单个器件的功耗也随之不同，尤其需要注意的是，上桥臂和下桥臂的功耗不同，上下桥臂器件处于不对称运行状态。

柔性直流输电的前景

中国的柔性直流输电刚刚起步，发展速度很快，前景美好，预计将取代交流输电和传统直流输电，成为主流输电技术。柔性直流输电换流阀采用全控型功率开关IGBT，相比于塑料封装IGBT和方形压接式IGBT，圆形压接式IGBT具有显著的优势。

东芝在圆形压接式IGBT方面的技术实力、器件品质和工程业绩首屈一指，而作为东芝IEGT的最大客户，荣信汇科已经在柔性直流输电、大功率变频器、大容量STATCOM等领域广泛采用了IEGT器件，应用时间超过10年，IEGT使用数量超过2.5万片，工程项目超过50个，客户遍布全球。

在全球范围内，东芝是IEGT设计制造的首席专家，荣信汇科是圆形压接式IGBT（包括IEGT）的首席应用专家，强强联手，必将共创更美好的明天。