[发明专利]一种适用于MMC换流阀的不对称器件半桥功率模块

说明书

一种适用于MMC换流阀的不对称器件半桥功率模块，在所述不对称器件半桥功率模块的两个IGBT中，选定与所述功率模块的两个引出线之间直接连接的IGBT为下管IGBT，选定所述功率模块另一个IGBT为上管IGBT。不对称器件为下管IGBT与上管IGBT型号不同，所选下管IGBT标称电流等级比上管IGBT大；所述不对称器件还为下管二极管与上管二极管D1型号不同，所选下管二极管标称电流等级要比上管二极管D1大，且下管二极管具有很强的浪涌电流耐受能力，能够独自或主要承担故障工况下的短路电流。可以在功率模块稳态工况时提升下管IGBT和二极管的电流裕度和结温裕度；在功率模块故障工况时，由下管二极管承担故障短路电流，不需要额外引入晶闸管及其驱动。

技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统技术领域，特别涉及一种适用于MMC换流阀的不对称器件半桥功率模块。

背景技术

电压源型直流输电系统，也被称为柔性直流输电系统(VSC-HVDC)，具有换流站有功/无功可以独立控制、不需要庞大的交流滤波器、可以支持电网黑启动、支持给海岛/风电场等弱网供电等优点，是解决中国区域性新能源并网和消纳问题行之有效的方法。目前模块化多换流器(MMC换流器)是实现电压源型直流输电系统的主要方法之一，通过级联多个完全相同的功率模块方式搭建换流器的各个桥臂和整个系统。半桥功率模块由于结构简单，使用器件少，是目前柔直工程功率模块最常用的拓扑结构。

和变频器、无功补偿装置等其他电力装备不同，MMC柔直换流阀级联的功率模块实际稳态工作中功率器件负载具有负载不对称特点。以半桥功率模块为例，表现为：换流阀工作于逆变工况时，功率模块下管IGBT承担负载电流最大；换流阀工作于整流工况时，功率模块下管二极管承担负载电流最大。另外，当换流阀发生双极短路等极端故障工况时，仅由下管二极管承担故障短路电流。

针对这种稳态工况和故障工况负载不对称特性，在半桥功率模块上下管IGBT和上下管二极管选型设计上，目前业界并没有采取针对性的特殊设计，往往是上下管IGBT和上下管二极管采取对称器件设计，即上管IGBT和下管IGBT型号完全相同，上管二极管和下管二极管型号完全相同，这种方法带来的不足是：

(1)因负载不对称，实际运行中，下管IGBT的电流裕量和结温裕量要比上管IGBT小，下管二极管的电流裕量和结温裕量要比上管二极管小；

(2)发生双极短路极端故障工况时，因短路电流较大，下管二极管无法独自承担该短路电流，需要额外引入具有更大浪涌电流承受能力的晶闸管进行分流，以保证下管二极管安全。除此之外，还需设计专门的驱动电路保证故障发生后晶闸管可以可靠触发。

可见，目前半桥功率模块没有充分针对器件工况进行特殊选型设计，需要增加额外的控制电路和功率器件，明显增加了功率模块复杂性，且上下管功率器件之间结温裕量也存在较大差别。为解决该问题，需要一种既简单、又能提高稳态和暂态可靠性的半桥功率模块。

发明内容

为了解决背景技术中的技术问题，针对柔直换流阀功率模块器件负载不对称的特点，本发明提供一种适用于MMC换流阀的不对称器件半桥功率模块，可以在功率模块稳态工况时提升下管IGBT和二极管的电流裕度和结温裕度；在功率模块故障工况时，由下管二极管承担故障短路电流，不需要额外引入晶闸管及其驱动。本发明具有设计简单、安全可靠的特点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种适用于MMC换流阀的不对称器件半桥功率模块，所述的半桥功率模块的功率器件包括上管IGBT，上管二极管，下管IGBT，下管二极管；上管IGBT和上管二极管并联，下管IGBT和下管二极管并联，上管IGBT和下管IGBT串联，然后与直流电容并联，并将直流电容的一端引出作为模块的一条引出线，将两个IGBT的连接点引出作为模块的另外一条引出线。

在所述不对称器件半桥功率模块的两个IGBT中，选定与所述功率模块的两个引出线之间直接连接的IGBT为下管IGBT，选定所述功率模块另一个IGBT为上管IGBT。