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IGBT在未来柔直系统中的应用技术

摘要:近年来,模块化多电平(MMC)拓扑极大推动了电压源-高压直流输电(VSC-HVDC)系统的发展。本文结合柔性直流输电系统对全控型器件IGBT的独特要求,并依据器件自身封装及电压等级的不同,给出了直流传输线电流与器件额定电流的关系。针对未来大容量柔性直流输电系统应用,对比了不同半导体解决方案的相关参数和特性,特别分析了压接IGBT与绑焊式IGBT模块的优劣。最后介绍了IGBT芯片和封装技术的发展,如内部集成可控二极管的逆导型(RCDC)芯片和适合模块并联的XHPTM封装。已有实验结果表明XHPTM并联均流效果非常理想,适合作为实现下一代大功率系统的方案。

1.  柔直系统对功率半导体器件的特殊要求
对于IGBT器件而言,MMC拓扑是一个非常特殊的应用,由于桥臂存在直流偏置电流,使得子单元内部(半桥结构)上下IGBT与Diode芯片的功耗与发热严重失衡,下管中T2和D2芯片分别在逆变和整流过程中承载最重。
柔直系统对功率半导体器件的特殊要求

其中调制比m约为0.9,避免在交流电压±10%波动范围内过调制(SPWM);cosψ约取0.9,可为交流电网提供一定的无功补偿能力;因此子单元内部IGBT负载电流峰值约等于1.2倍直流传输电流。

根据IGBT最大工作结温与开关安全工作区的限制,可以得到各电压等级(3.3~6.5kV)及不同结温封装(IHV-A,IHV-B),直流传输电流与IGBT额定电流选型的关系。对于未来大容量的柔性直流系统(如±500kV/3GW)则需要电流约3000A的器件,压接IGCT、压接IGBT以及绑焊式IGBT模块并联都将是潜在的解决方案。
功率半导体器件电流等级

2. 各种功率半导体方案的特性对比
当前全控型大功率半导体芯片技术以多晶胞并联的压控型IGBT芯片以及单晶圆电流控制型的IGCT芯片为主,而封装技术又分为绑焊式和压接式两种。对于±500kV/3GW子单元设计方案,各相关技术指标及应用特性对比如下:
各种功率半导体方案的特性对比

IGCT:拥有同类器件最低的导通压降和开通损耗,并且牢靠的短路失效模式都是输配电系统所需要的核心性能,但是其他方面的性能却限制了IGCT的应用范围,并不推荐作为柔直系统的关键器件,包括:
     A. 工作环境温度需要零度以上,并且电流型的驱动器器件众多、电路复杂,可靠性指标较低;
      B. 开通受限于芯片导通面积的扩散速度(di/dt<1kA/us),因此需要uH级电感串联抑制,而避免关断过压又需要RCD吸收装置,因此增加了器件成本及子单元体积;
     C.可安全关断电流能力较弱且无短路电流抑制能力,这在系统直流侧短路和单元内部桥臂直通时无法做到安全保护。

IGBT:无论压接封装还是绑焊式封装,对于大功率IGBT器件而言,其更像是一个复杂的并联“系统”而非理想的单个“元件”。芯片技术之外,封装技术须要:
    A. 保证内部芯片在静态和动态工作时的均流;
    B. 减轻固定安装时的机械应力;
    C. 提供可靠的电气连接。
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