本系列講座旨在分享功率半導體的原理和相關應用知識，已發(fā)布的第1-30講主要介紹了功率半導體的基礎知識。從第31講起為大家介紹HVIGBT的一系列相關知識，以幫助讀者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正確應用方法。
1.1 基于HVIGBT的模塊化多電平換流器
(MMC-VSC)
模塊化多電平換流器(MMC)的電路拓撲如圖12.3 a所示。其橋臂不是由多個開關器件直接串聯(lián)而成，而是采用了子模塊(Sub-Module, SM)的級聯(lián)方式。它的工作原理與兩電平和三電平換流器不同，它不是采用PWM來逼近正弦波，而是采用階梯波的方式來逼近正弦波，器件的開關頻率顯著降低，一般不會超過200Hz, 與兩電平或三電平換流器相比，損耗成倍下降，因此應用越來越普遍。
圖12.3 模塊化多電平換流器(MMC-VSC)及子模塊(SM)的電路拓撲
1.1.1 模塊化多電平換流器的工作原理
不同于兩電平和三電平的電壓源換流器，模塊化多電平換流器的橋臂不是僅能執(zhí)行開關動作的閥，而是連接在換流器直流母線和交流輸出端的可控電壓源。換流器通過控制上下橋臂導通的子模塊的數(shù)量，從而控制橋臂電壓的輸出。而橋臂中子模塊的狀態(tài)，則由子模塊內部HVIGBT的開關狀態(tài)來決定。
MMC子模塊(SM)工作原理
MMC的子模塊一般采用半橋電路結構，如圖12.3 b所示。T1和T2代表IGBT，D1和D2代表IGBT的反并聯(lián)二極管，C0代表子模塊的直流側電容，uC為電容器的電壓，usm和ism分別為子模塊的輸出電壓和輸出電流。
子模塊共有三總工作狀態(tài)，如表12.1所示。狀態(tài)2：IGBT1是導通的，IGBT2是關斷的；狀態(tài)3：IGBT1是關斷的，IGBT2是導通的。
表12.1 模塊化多電平變流器子模塊工作狀態(tài)
狀態(tài)1為非正常工作狀態(tài)，稱為閉鎖狀態(tài)。T1和T2都關斷，因此子模塊的工作狀態(tài)決定于二極管的導通狀態(tài)。當D1導通時，電流經(jīng)過D1向電容器充電，常用于設備啟動時向子模塊電容充電；當D2導通時，電流經(jīng)過D2將電容器旁路。狀態(tài)2為子模塊投入狀態(tài)，子模塊的輸出電壓為電容電壓Uc。當電流方向為正時，電流通過D1向電容充電，T1雖然開通，但是沒有電流流過；當電流為負時，電流通過T1將電容放電。狀態(tài)3為子模塊切除狀態(tài)，子模塊的輸出電壓為0。當電流為正時，電流流過T2將子模塊旁路；當電流為負時，電流流過D2將子模塊旁路。模塊化多電平換流器子模塊工作狀態(tài)表，如表12.2所示：
表12.2 模塊化多電平換流器子模塊工作狀態(tài)表由以上信息可知，子模塊內各HVIGBT的開通和關斷時間是不一樣的，因此在MMC的不同輸出狀態(tài)，子模塊中不同位置的HVIGBT的功率損耗也是不一樣的。
以一個簡單的MMC結構相模塊的工作狀態(tài)來說明當MMC工作時相電壓的輸出控制。如圖12.4，每一個相模塊內上下橋臂各有4個子模塊，則MMC輸出為5電平。MMC工作時，直流母線PN之間的電壓為Udc，直流母線的中點電位為0，則P端相對中點的電位為+Udc/2, N端相對中點的電位為-Udc/2；圖中實線表示上橋臂電壓upa，虛線表示下橋臂電壓una，粗實線表示交流側輸出電壓uva。
通過控制上下橋臂中投入和切除的子模塊的數(shù)量，就可以調節(jié)upa和的una值，從而調節(jié)交流側的輸出電壓，從圖中的趨勢不難看出，隨著子模塊數(shù)量的增加，輸出的電平的數(shù)目將增加，輸出電壓uva將逼近正弦波。
圖12.4 5電平MMC相單元工作原理圖每個相單元的子模塊數(shù)量是2n，在MMC工作時，任一瞬間每個相單元投入的子模塊數(shù)為n。設H為上橋臂投入的子模塊個數(shù)，L為下橋臂投入的子模塊個數(shù)，則：
1.1.2 模塊化多電平換流器中HVIGBT的選擇
HVIGBT的選擇要考慮多方面的因素，通常情況下，當一個換流器的電壓等級和傳輸功率確定后，應該先確定HVIGBT的電流等級，再確定HVIGBT的電壓等級，除非系統(tǒng)對子模塊的串聯(lián)級數(shù)有要求。因為選用的HVIGBT電壓等級越高，其相單元串聯(lián)的子模塊級數(shù)越少；但是相同封裝的HVIGBT電壓等級越高，其電流容量越小，如果單純?yōu)榱藴p少子模塊的串聯(lián)級數(shù)，有可能造成單只HVIGBT的電流容量不足，需要HVIGBT并聯(lián)使用，從而造成HVIGBT數(shù)目增加。
HVIGBT電流等級的選擇
在MMC換流器中，HVIGBT在不同的工作狀態(tài)下其電流是不一樣的，因此我們常計算子模塊的電流，以此來作為HVIGBT電流的選型依據(jù)，這樣選對HVIGBT來說是留有余量的，因為子模塊的電流其實代表的是其內部兩只HVIGBT的電流。在計算MMC子模塊的電流時，一般從安全工作區(qū)和功率損耗兩方面進行考慮�？紤]安全工作區(qū)的時候，我們要考慮的是子模塊的最大暫態(tài)電流；而計算功率損耗的時候，我們要考慮的是子模塊的有效電流。
圖12.5 MMC運行時電壓及電流示意圖如圖12.5所示，當MMC運行時，交流輸出電流Ig(g=a,b,c)可以由下式求得：M：直流電壓利用率, 為輸出線電壓的峰值與Udc的比值；因此上、下橋臂中的電抗器L0相等，因此交流電流Ig在上、下橋臂間均分，流過上、下橋臂的電流為Ig/2。MMC傳輸?shù)目傊绷麟娏鳛镮dc, 因為電路結構平衡，則各橋臂內的直流電流為Idc/3, Idc可由下式求：由以上得出，流過各上橋臂的暫態(tài)電流Ig1和流過下橋臂的暫態(tài)電流Ig2如下：
考慮到Ig的峰值，因此正常情況下流過子模塊的最大暫態(tài)電流為：在此電流的基礎上，考慮到MMC的過載運行狀態(tài)，就可以得出子模塊的最大暫態(tài)電流，從而對HVIGBT的安全工作區(qū)是否合適進行判定。在計算功率損耗時，我們一般考慮的是子模塊的有效值，可以按照下式求得：
在HVIGBT的電流確定之后，我們可以從HVIGBT廠家的目錄中尋找電流合適的HVIGBT，這個時候，有可能同一電流等級的HVIGBT存在多個電壓等級。HVIGBT的電壓等級需要考慮以下幾點：首先，要考慮換流器的設計要求，如果換流器設計要求子模塊的級數(shù)盡可能少，那么就選擇高電壓等級的HVIGBT，一般情況先，子模塊的級數(shù)少，結構設計和控制都相對簡單，可靠性比較高。其次，如果換流器對成本的要求比較高，那么就需要對不同電壓等級HVIGBT分別進行計算成本，最終選擇成本低的。一般情況下，同一電流等級的模塊，電壓越高，成本越高；而且飽和壓降也越大，導致?lián)p耗增大。
當換流器的傳輸電壓和HVIGBT的電壓等級確定后，子模塊的串聯(lián)級數(shù)n可以有下式求得：n求得后，可得出相單元的子模塊串聯(lián)級數(shù)為2n。一般情況下，在實際設計中都要考慮冗余的設計，以便在某個子模塊故障被切除時進行補充，設冗余的子模塊個數(shù)為X，在MMC中，每個相單元中子模塊的個數(shù)為2n+X。
1.1.3 模塊化多電平換流器中HVIGBT的選擇舉例
下面舉例說明如何根據(jù)MMC換流器的工作條件選擇HVIGBT。
設MMC換流器的工作條件如下：
傳輸功率P=100MW，傳輸電壓Udc=150kV，HVIGBT工作頻率fc=150Hz。
HVIGBT電流等級的計算
取M=0.85，由式12-2可以求得換流器的交流輸出電流Ig如下：則流過子模塊的最大暫態(tài)電流由式12.5求得：對于最大暫態(tài)電流來說，子模塊和其內部的HVIGBT是相同的，因此在選擇HVIGBT時要確保ISM-PEAK值在HVIGBT的安全工作區(qū)內。ISM-RMS值用來計算HVIGBT的功耗，從而進一步判斷待選的HVIGBT在溫升方面是否符合要求(功耗及溫升的計算方法請參照第5章的內容)。另外，在前面章節(jié)已經(jīng)提到，此電流值為子模塊電流有效值，其值大于內部的HVIGBT，因此根據(jù)這個值來選擇HVIGBT是留有余量的。
HVIGBT電壓等級的選擇及子模塊串聯(lián)級數(shù)的計算
在此設計中，根據(jù)計算出的電流值，我們初選了兩種HVIGBT，一種為CM1000HC-66R，其耐壓值為3300V；另一種為CM900HC-90H, 其耐壓值為4500V。經(jīng)過計算，兩種模塊的安全工作區(qū)、功耗及溫升均能滿足此設計的要求，因此，下一步要確定用哪種電壓等級的HVIGBT比較合適。HVIGBT的耐壓等級的選擇，需要考慮多方面的因素，比如成本、占地面積、控制策略以及客戶要求等。采用耐壓等級高的HVIGBT，子模塊的串聯(lián)級數(shù)就會少些，占地面積相對要小，控制相對簡單；但是耐壓高的HVIGBT在開關過程中會產(chǎn)生更高的電壓尖峰，不利于HVIGBT的安全運行，而且耐壓高的HVIGBT及周邊器件成本通常也高。因此，HVIGBT耐壓等級的選擇，其實是一個折衷問題，不能一概而論。在HVIGBT耐壓等級的選擇過程中，需要計算出采用不同耐壓等級的HVIGBT時子模塊的串聯(lián)級數(shù)及需要的HVIGBT的數(shù)量，用來進行參考。以此設計為例，如果此設計采用CM1000HC-66R, 取uC為1500V，則在橋臂中需要串聯(lián)的子模塊級數(shù)為：設冗余的子模塊個數(shù)為2，則每個相單元中子模塊的個數(shù)為：因為每個子模塊中包括2只HVIGBT，換流器包括3個相橋臂，因此整個換流器中要用到的CM1000HC-66R個數(shù)為：如果采用CM900HC-90H, 取uC為2500V，則在橋臂中需要串聯(lián)的子模塊級數(shù)為：設冗余的子模塊個數(shù)為2，則每個相單元中子模塊的個數(shù)為：同理，因為每個子模塊中包括2只HVIGBT，換流器包括3個相橋臂，整個換流器中要用到的CM900HC-90H個數(shù)為：
1.1.4 直流輸電(MMC-VSC結構)專用HVIGBT
對于HVIGBT來說，由于兩電平或三電平中開關頻率高，要求器件的開關損耗要盡可能低；而MMC中，開關頻率低，因此器件的通態(tài)飽和壓降在損耗中起主要作用，因此要求器件的通態(tài)飽和壓降要盡可能低。
同一功率等級的HVIGBT，廠家會根據(jù)應用領域的不同而對器件的部分參數(shù)進行有針對性的優(yōu)化，比如三菱電機的4500V/1200A的HVIGBT CM1200HC-90RA，就是針對直流輸電領域開發(fā)的，其較低的飽和壓降確保了HVIGBT的低損耗。下圖為CM1200HC-90RA與通用4500V/1200A HVIGBT參數(shù)的比較。
圖12.6 CM1200HC-90RA與通用4500V/1200A HVIGBT參數(shù)的比較
