CN114123812A - 一种基于逆导igbt的mmc钳位双子模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，信号输入端与第一RC‑IGBT1的一端及第二RC‑IGBT的一端相连接，第一RC‑IGBT的另一端与第一电容的一端及第一单二极管模块的负极相连接，第一单二极管模块的正极与RC‑IGBT连接器件的一端、第二电容的一端及第三RC‑IGBT的一端相连接，第三RC‑IGBT的另一端与第四RC‑IGBT的一端及信号输出端相连接，第四RC‑IGBT的另一端及第二电容的另一端与第二单二极管模块的正极相连接，第二单二极管模块的负极与第二RC‑IGBT的另一端、第一电容的另一端及RC‑IGBT连接器件的另一端相连接，该模块的可靠性较高。

Description

一种基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块

技术领域

本发明涉及一种MMC钳位双子模块，具体涉及一种基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块。

背景技术

近年来，基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)被广泛应用于大规模输电工程中。由于具有模块化程度高、扩展性好、效率高及谐波特性好等优势，模块化多电平换流器(MMC)被认为是电压源换流器中最具有吸引力的拓扑。

与电缆相比，由于架空线路的成本很低，因此被广泛应用于VSC-HVDC中。然而，闪电、污染物以及掉落的树枝会引发架空线路短路故障。因此短路故障处理是VSC-HVDC领域最受关注的问题之一。问题在于，目前使用最广泛的MMC半桥子模块(HBSM)不具有短路故障处理能力。使用直流断路器可以清除直流侧故障，但成本很高。目前有一些改进型的子模块具有处理直流侧故障的能力，比如全桥子模块(FBSM)、钳位单子模块(CSSM)以及CDSM等。从目前的研究成果来看，其他具有直流侧故障穿越能力的子模块拓扑变得越来越复杂，已经失去了实用价值。因此，FBSM、CSSM和CDSM具有最高的共识度。然而在这其中，FBSM需要的IGBT最多(每个模块4个)，导致其成本很高，并且功率损耗大。折衷方案是将HBSM及FBSM混合使用，但FBSM所占比例通常为50％，因此每个模块需要3个IGBT，而每个CSSM也需要3个IGBT。对于CDSM来说，由于连接器件T₅在正常工作时一直处于导通状态，因此其可以看成两个串联的HBSM，可以独立地进行控制，因此每个子模块仅需要2.5个IGBT，再加上CDSM-MMC的控制策略与HBSM-MMC兼容，因此CDSM的成本最低，实现起来较为简单，性价比很高，是具有直流侧故障穿越能力的子模块中最有前景的一个。

然而目前还没有CDSM-MMC的样机，也没有CDSM的子模块实物。对于CDSM的研究仅仅停留在拓扑层面。研究人员只是通过电路仿真，了解到其具有直流侧故障处理能力。对其在实际应用中可能出现的问题并不了解。实际上，CDSM具有重大缺陷，其器件级可靠性存在严重问题。当CDSM-MMC工作在高功率因数时，其连接器件T₅(逆变侧)或D₅(整流侧)具有极高的功率损耗，其温度以及低频、基频结温波动甚至远大于HBSM的下管。在最初的设计理念中，CDSM的连接器件是被用来处理直流侧故障，提升系统可靠性的。但其却成为了整个子模块的寿命瓶颈，从器件级可靠性来说，CDSM甚至不及HBSM，这是一个重大的矛盾。因此需要改善CDSM连接器件的热管理，提升其器件级可靠性，使其能顺利应用于实际，从而使其发挥出提升MMC系统级可靠性的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，该模块的可靠性较高。

为达到上述目的，本发明所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块包括第一RC-IGBT、RC-IGBT连接器件、第二RC-IGBT、第三RC-IGBT、第四RC-IGBT、第一电容、第二电容、第一单二极管模块、第二单二极管模块、信号输入端及信号输出端，其中，信号输入端与第一RC-IGBT1的一端及第二RC-IGBT的一端相连接，第一RC-IGBT的另一端与第一电容的一端及第一单二极管模块的负极相连接，第一单二极管模块的正极与RC-IGBT连接器件的一端、第二电容的一端及第三RC-IGBT的一端相连接，第三RC-IGBT的另一端与第四RC-IGBT的一端及信号输出端相连接，第四RC-IGBT的另一端及第二电容的另一端与第二单二极管模块的正极相连接，第二单二极管模块的负极与第二RC-IGBT的另一端、第一电容的另一端及RC-IGBT连接器件的另一端相连接。

第一RC-IGBT、第二RC-IGBT、第三RC-IGBT及第四RC-IGBT的型号均为2MBI50XRAE120-99。

第一电容及第二电容的型号均为LPG102M35070FVA。

第一电容及第二电容的电容值均为1.5mF，电压均为800V。

还包括散热器、插针及直流母排；第一RC-IGBT、第二RC-IGBT、第三RC-IGBT、第四RC-IGBT、RC-IGBT连接器件、第一单二极管模块、第二单二极管模块均固定于散热器上，直流母排焊接于插针上，第一电容及第二电容通过引脚焊接于直流母排中的过孔中。

第一RC-IGBT、第二RC-IGBT、第三RC-IGBT、第四RC-IGBT、RC-IGBT连接器件、第一单二极管模块、第二单二极管模块均通过螺栓固定于散热器上。

散热器的尺寸为192mm×110mm×118mm。

直流母排通过过孔焊接于插针上。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块在具体操作时，基于RC-IGBT构建而成，不但降低了器件的温度以及低频、基频结温波动，延长了连接器件的寿命，同时具有直流侧故障处理能力，并成本低，性价比高，控制简单，可靠性较高，为MMC的设计提供了最优解，尤其适用于MMC处于高功率因数工况下

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的安装图；

其中，1为第一RC-IGBT、2为第二RC-IGBT、3为第三RC-IGBT、4为第四RC-IGBT、5为RC-IGBT连接器件、6为第一单二极管模块、7为第二单二极管模块、8为第一电容、9为散热器、10为第二电容、11为直流母排。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块包括第一RC-IGBT1、RC-IGBT连接器件5、第二RC-IGBT2、第三RC-IGBT3、第四RC-IGBT4、第一电容8、第二电容10、第一单二极管模块6、第二单二极管模块7、信号输入端及信号输出端，其中，信号输入端与第一RC-IGBT1的一端及第二RC-IGBT2的一端相连接，第一RC-IGBT1的另一端与第一电容8的一端及第一单二极管模块6的负极相连接，第一单二极管模块6的正极与RC-IGBT连接器件5的一端、第二电容10的一端及第三RC-IGBT3的一端相连接，第三RC-IGBT3的另一端与第四RC-IGBT4的一端及信号输出端相连接，第四RC-IGBT4的另一端及第二电容10的另一端与第二单二极管模块7的正极相连接，第二单二极管模块7的负极与第二RC-IGBT2的另一端、第一电容8的另一端及RC-IGBT连接器件5的另一端相连接。

第一RC-IGBT1、第二RC-IGBT2、第三RC-IGBT3及第四RC-IGBT4的型号为2MBI50XRAE120-99，第一电容8及第二电容10的型号为LPG102M35070FVA，第一电容8及第二电容10的电容值为1.5mF，电压为800V。

参考图2，第一RC-IGBT1、第二RC-IGBT2、第三RC-IGBT3、第四RC-IGBT4、RC-IGBT连接器件5、第一单二极管模块6、第二单二极管模块7均通过螺栓固定于散热器9上，直流母排11通过过孔焊接于插针上，第一电容8及第二电容10通过引脚焊接于直流母排11中的过孔中。

散热器9的尺寸为192mm×110mm×118mm，其中，高度118mm包括110mm的翅片高度及8mm的底板厚度，翅片厚度和间距分别为1.5mm及3mm，风道方向与散热器9的长边平行。

需要说明的是，本发明尤其适用于MMC处于高功率因数工况下，当CDSM-MMC工作在高功率因数情况下，其连接器件存在严重的热不平衡效应，其中一个连接器件的热流密度极高，成为热点，且具有极高的低频、基频结温波动，导致极差的器件级可靠性。RC-IGBT将IGBT与二极管集成在一起，将两个连接器件的热流密度平均，从而使热点的热流密度显著降低，降幅将近50％，而热点的温度和低频结温波动能降低30％左右。与IGBT及二极管相比，RC-IGBT的热容较大，从而可以显著减小热点的基频结温波动，降幅将近70％。

由此可以看出，连接器件的热管理得到显著改善，其器件的可靠性得到大幅提升，寿命得到大幅延长，低频结温波动引起的连接器件年损伤能降低50％，而基频结温波动引起的相应年损伤能降低4个数量级。由于连接器件的引入是为了穿越直流侧故障，提升了系统级的可靠性，因此本发明实现了MMC系统级可靠性与器件级可靠性的统一。

CDSM本身具有成本较低，性价比高的优点，其控制算法也较为简单。由于本发明使用了最新一代的新型半导体器件——RC-IGBT，其体二极管的导通压降不受IGBT驱动电压的影响，相比之前的RC-IGBT，其控制算法大大简化，不需要采用去饱和控制。

本发明填补了具有直流侧故障穿越能力的MMC子模块缺少实物样机的空白，为MMC系统的设计提供了最优解。

Claims (8)

1.一种基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，包括第一RC-IGBT(1)、RC-IGBT连接器件(5)、第二RC-IGBT(2)、第三RC-IGBT(3)、第四RC-IGBT(4)、第一电容(8)、第二电容(10)、第一单二极管模块(6)、第二单二极管模块(7)、信号输入端及信号输出端，其中，信号输入端与第一RC-IGBT(1)的一端及第二RC-IGBT(2)的一端相连接，第一RC-IGBT(1)的另一端与第一电容(8)的一端及第一单二极管模块(6)的负极相连接，第一单二极管模块(6)的正极与RC-IGBT连接器件(5)的一端、第二电容(10)的一端及第三RC-IGBT(3)的一端相连接，第三RC-IGBT(3)的另一端与第四RC-IGBT(4)的一端及信号输出端相连接，第四RC-IGBT(4)的另一端及第二电容(10)的另一端与第二单二极管模块(7)的正极相连接，第二单二极管模块(7)的负极与第二RC-IGBT(2)的另一端、第一电容(8)的另一端及RC-IGBT连接器件(5)的另一端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，第一RC-IGBT(1)、第二RC-IGBT(2)、第三RC-IGBT(3)及第四RC-IGBT(4)的型号均为2MBI50XRAE120-99。

3.根据权利要求1所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，第一电容(8)及第二电容(10)的型号均为LPG102M35070FVA。

4.根据权利要求1所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，第一电容(8)及第二电容(10)的电容值均为1.5mF，电压均为800V。

5.根据权利要求1所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，还包括散热器(9)、插针及直流母排(11)；第一RC-IGBT(1)、第二RC-IGBT(2)、第三RC-IGBT(3)、第四RC-IGBT(4)、RC-IGBT连接器件(5)、第一单二极管模块(6)、第二单二极管模块(7)均固定于散热器(9)上，直流母排(11)焊接于插针上，第一电容(8)及第二电容(10)通过引脚焊接于直流母排(11)中的过孔中。

6.根据权利要求5所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，第一RC-IGBT(1)、第二RC-IGBT(2)、第三RC-IGBT(3)、第四RC-IGBT(4)、RC-IGBT连接器件(5)、第一单二极管模块(6)、第二单二极管模块(7)均通过螺栓固定于散热器(9)上。

7.根据权利要求5所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，散热器(9)的尺寸为192mm×110mm×118mm。

8.根据权利要求5所述的基于逆导IGBT的MMC钳位双子模块，其特征在于，直流母排(11)通过过孔焊接于插针上。

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