一種數字能量交換系統的關鍵技術
1. 痛點問題
由于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)具有驅動功率小而且驅動電路簡單、開關速度快并且損耗小、飽和壓降低、耐壓高、電流大等優點,在柔性直流電網中得到了廣泛的應用,現有的MMC換流閥裝備均是采用IGBT開關器件進行設計。事實上,IGBT于二十世紀八十年代初誕生,在九十年代得到飛速發展。然而傳統的焊接式IGBT容量較小、可靠性較低且失效后呈斷路特性,因此早期的IGBT主要應用于中低壓領域,直至壓接式IGBT誕生之后才開始在高壓、大功率電力電子換流器當中得到應用。IGBT器件的容量從最早的600V/6A級別逐漸提升,迄今為止已經達到了4.5kV/3kA的水平。IGCT誕生于1996年,由于其核心GCT芯片是由晶閘管改進而來,因此天然具備晶閘管大容量、高可靠性的特點。IGCT器件在2000年便已經達到了4.5kV/4kA的水平,相比之下壓接式IGBT直至2012年才達到相同的功率等級,隨著六英寸IGCT器件在未來投入使用,IGCT在容量上仍將對IGBT保持較大優勢。
另外,盡管IGBT優勢突出,但是相比電流型器件,仍然存在通態壓降大、可靠性低、制造成本高等問題,具有很多改進的空間。尤其是在海上風電柔性高壓直流輸電系統中,所使用的開關器件數量非常大,若能改進IGBT器件的特性,進一步提高效率和可靠性、減小成本,將會具有巨大的吸引力和應用前景。
2. 解決方案
模塊化多電平變換器(MMC)的多電平調制大幅降低了功率器件開關頻率,為集成門極換流晶閘管(IGCT)的應用帶來了契機。相比IGBT,IGCT的通態壓降和成本可降低達到1/3以上,并且IGCT具有非常強大的浪涌電流、短路失效和防爆能力,無需增加輔助電路便可實現冗余和防爆,確保柔直輸電系統免維護的高可靠需求。該技術實現更高電壓、更大功率、更高效率和可靠性的柔性直流輸電系統具有重要意義和廣闊的應用前景。
清華大學
2021-10-22