CN108054943B - 应用于mmc的大功率电力电子器件及其操作方法 - Google Patents

应用于mmc的大功率电力电子器件及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于MMC的大功率电力电子器件及其操作方法。电力电子器件包括并联的IGCT器件和IGBT器件，IGCT器件和IGBT器件具有同等电压等级、一定电流等级比例；进一步，可以将IGCT器件和IGBT器件封装到特殊设计的器件管壳内，进而减小两器件间的杂散电感。此应用于MMC的大功率电力电子器件能够降低整体通态压降，提高MMC的工作效率；降低损耗，减小整体器件体积，降低成本。

Description

应用于MMC的大功率电力电子器件及其操作方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到电力电子器件，特别涉及一种应用于MMC的大功率电力电子器件。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter,简称MMC)由于具有非常高的转换效率、极低的输出电压谐波含量、很小的滤波器体积、模块化特点、安装维护容易等诸多优点获得了人们的广泛关注，使其十分适用于高压大功率电能变换的场合。
在实际应用中，MMC的子模块的关键功率元件通常采用绝缘栅双极型晶体管(Insulatedgate bipolar transistor,简称IGBT)器件。现有技术中，基于IGBT器件的MMC存在以下缺点：
(1)通态压降高，导致通态损耗大；
(2)模块式IGBT器件失效后呈断路状态，在串联冗余的情况下，为保证其他子模块仍正常工作，需要在子模块两端并联双向晶闸管和机械开关，成本高、损耗大、控制复杂；
(3)压接型IGBT器件失效后虽然呈短路状态，但并不能保证失效长期短路的可靠性，并且成本过高。
现有技术中，集成门极换流晶闸管(The Integrated Gate CommutatedThyristor，简称IGCT)器件的通态压降远低于IGBT器件，低通态损耗在MMC等低开关频率的应用中优势明显。并且IGCT器件失效后呈可靠地短路特性，易于模块串联。此外，IGCT器件制造工艺相对简单，成本远低于IGBT器件。
但若在MMC中应用IGCT器件，对反向并联的续流快恢复二极管的要求很高。其原因在于，IGCT器件为电流型器件，开通速度快并且不可控，一个IGCT开通期间过高的电流变化率(di/dt)将导致桥臂另一个IGCT并联的反向续流二极管产生过高的反向恢复电流，进而失效损坏，因此一般需要在IGCT器件外部设置阳极电抗吸收电路以减小开通的电流变化率(di/dt)，保护二极管，因而增大了体积、增加了成本和损耗。
发明内容
解决现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种应用于MMC的新型大功率电力电子器件，将同等电压等级、一定电流等级比例的IGCT和IGBT进行并联，既可以简单的将IGCT器件和IGBT器件并联。进一步，考虑尽量减小两器件间的杂散电感，也可以将IGCT芯片和IGBT芯片封装到特殊设计的器件管壳内，形成新的器件。
其中，IGBT芯片是指没有封装的晶片，实现IGBT功能；IGBT部件封装在管壳后的整体叫做IGBT器件。
本专利的第一种是将IGBT器件和IGCT器件外部并联，即将两种封装后的管壳在外部并联在一起。
第二种是使用一种新型管壳，将并联的IGBT芯片和GCT芯片封装在同一个器件管壳内。
技术方案如下：
一种大功率电力电子器件，应用于模块化多电平换流器MMC，
包括绝缘栅双极型晶体管IGBT器件和集成门极换流晶闸管IGCT器件；
其中，所述IGBT器件的集电极与所述IGCT器件的阳极并联引出正极出线端；所述IGBT器件的发射极与所述IGCT器件的阴极并联引出负极出线端；
所述IGBT器件与IGCT器件的电压等级同等，电流等级成比例。
或者，所述的大功率电力电子器件，包括封装在一个器件管壳内的IGBT芯片和IGCT芯片，所述IGBT芯片和IGCT芯片并联。
其中，IGBT芯片与IGCT芯片的电压等级同等，电流等级成比例。
其中，所述器件管壳减小所述IGBT芯片与所述IGCT芯片之间的杂散电感。
所述的大功率电力电子器件，进一步包括电流检测部件，用于在导通过程中，若检测到的电流接近所述IGCT器件/芯片的关断能力，关断所述IGCT器件/芯片，将电流转移至所述IGBT器件/芯片。
在所述大功率电力电子器件开通过程中，先开通所述IGBT器件/芯片，一段时间后再开通所述IGCT器件/芯片，最后关断所述IGBT器件/芯片，也可同时开通IGBT器件/芯片和IGCT器件/芯片，进一步降低开通损耗。
在所述大功率电力电子器件关断过程中，直接由所述IGCT器件/芯片进行关断。
或者，在所述大功率电力电子器件关断过程中，先开通所述IGBT器件/芯片，再关断所述IGCT器件/芯片，待电流从IGCT器件/芯片转移至所述IGBT器件/芯片后，再关断所述IGBT器件/芯片。
本发明还包括技术方案：
一种大功率电力电子器件的操作方法，
开通过程中，先开通所述IGBT器件/芯片；
一段时间后再开通所述IGCT器件/芯片；
最后关断所述IGBT器件/芯片，也可同时开通IGBT器件/芯片和IGCT器件/芯片。
其中关断过程中，直接由所述IGCT器件/芯片进行关断。
或者，关断过程中，先开通所述IGBT器件/芯片，再关断所述IGCT器件/芯片，待电流从所述IGCT器件/芯片转移至IGBT器件/芯片后，再关断所述IGBT器件/芯片。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)降低整体通态压降，提高MMC的工作效率；
(2)可以控制开通期间的电流变化率(di/dt)速度，防止反向续流二极管损坏；
(3)通过一定电流比例，可以降低关断损耗；
(4)对于IGCT器件和IGBT器件简单并联的方案，通过IGCT器件替代原有双向晶闸管，并且无需机械开关，能够减小体积并且不会增加过多成本；
(5)能够保证失效短路的可靠性；
(6)由于使用的IGBT器件电流等级小于整体器件的额定电流等级，降低整体成本。
附图说明
图1是本发明应用于MMC的大功率电力电子器件的一个实施例。
图2是本发明应用于MMC的大功率电力电子器件的另一个实施例。
具体实施方式
结合本发明的技术方案和附图进一步叙述本发明的具体实施例。
本发明的应用于MMC的大功率电力电子器件，如图1所示，包括一个绝缘栅双极型晶体管IGBT器件和一个集成门极换流晶闸管IGCT器件。IGBT器件与IGCT器件并联，其中IGBT器件与IGCT器件的电压等级同等，电流等级成比例。其中，IGBT器件的集电极与IGCT器件的阳极并联引出正极出线端；IGBT器件的发射极与IGCT器件的阴极并联引出负极出线端；如图1所示，此种电力电子器件在IGBT器件的集电极、发射极与IGCT器件阳极、阴极各端分别产生杂散电感1-4。
为了进一步减小IGBT器件与IGCT器件之间的这些杂散电感，在另一个实施例中，如图2所示，并联的IGBT芯片与IGCT芯片封装在特殊设计的器件管壳中。
其中，IGBT芯片是指没有封装的晶片，实现IGBT功能；IGBT部件封装在管壳后的整体叫做IGBT器件。
本发明的应用于MMC的大功率电力电子器件开通过程中，先开通IGBT器件/芯片，一段时间后再开通IGCT器件/芯片，并关断IGBT器件/芯片。通过控制IGBT器件/芯片门极驱动电路的元件参数，调节IGBT器件/芯片的开通速度，从而控制电流变化率(di/dt)，防止反向续流二极管因反向恢复电流过大而损坏。由于IGCT器件/芯片在IGBT器件/芯片开通后再开通，因此IGCT器件/芯片开通时的阳极电压很小，IGCT器件/芯片的开通损耗很低。而IGBT器件/芯片在IGCT器件/芯片开通后再关断，因此IGBT器件/芯片的关断过程仅会因杂散电感而引起很小的过电压，IGBT器件/芯片关断损耗很小。
另外，由于IGBT器件/芯片仅在短时间内导通(如几微妙)，大部分时间由IGCT器件/芯片通流，因此无需很大功率的IGBT器件/芯片。
进一步的，如果考虑降低整体器件的通态损耗，也可以同时导通IGCT器件/芯片和IGBT器件/芯片。
本发明的应用于MMC的大功率电力电子器件关断过程中，既可以直接由IGCT器件/芯片进行关断，也可以先开通IGBT器件/芯片，再关断IGCT器件/芯片，待电流从IGCT器件/芯片转移至IGBT器件/芯片后，再关断IGBT器件/芯片。
类似的，先开通IGBT器件/芯片再关断IGCT器件/芯片的过程，仅会因杂散电感而引起很小的过电压，此过程的开关损耗很小。
此外，通过合适的电流比例的IGBT器件/芯片进行关断，同样能够减小整体器件的关断损耗。
为了提高模块的可靠性，在另一个实施例中，本发明的应用于MMC的大功率电力电子器件增加电流检测功能，在导通过程中，若检测到的电流接近IGCT器件/芯片的关断能力，可以迅速关断IGCT器件/芯片，将电流转移至IGBT器件/芯片。
由于IGBT器件/芯片具有3-5倍以上的瞬时关断能力，可以关断更大的电流。若仍关断失败，对于简单并联IGCT器件和IGBT器件的技术方案(如图1所示)，则迅速导通IGCT器件，防止断路；对于管壳内将IGCT芯片和IGBT芯片并联的技术方案(如图2所示)，通过合理的管壳结构设计，可以保证IGBT芯片关断失效后器件整体短路，从而通过提高串联冗余数量来增强***整体的可靠性。
综上所述，采用本发明的新型大功率电力电子器件，其优点在于：
(1)降低整体通态压降，提高MMC的工作效率；
(2)可以控制开通期间的电流变化率(di/dt)速度，防止反向续流二极管损坏；
(3)通过一定电流比例，可以降低关断损耗；
(4)对于IGCT器件和IGBT器件简单并联的方案，通过IGCT器件替代原有双向晶闸管，并且无需机械开关，能够减小体积并且不会增加过多成本；
(5)能够保证失效短路的可靠性；
(6)由于使用的IGBT电流等级小于整体器件的额定电流等级，降低整体成本。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种大功率电力电子器件，应用于模块化多电平换流器MMC，其特征在于：
所述大功率电力电子器件包括封装在一个器件管壳内的IGBT芯片和IGCT芯片，所述IGBT芯片和IGCT芯片并联；其中，所述IGBT芯片与IGCT芯片的电压等级同等，电流等级成比例；
在所述大功率电力电子器件开通过程中，先开通所述IGBT芯片，一段时间后再开通所述IGCT芯片，最后关断所述IGBT芯片；或同时开通所述IGBT芯片和所述IGCT芯片；
当IGBT芯片关断失效时，通过管壳使大功率电力电子器件整体短路。
2.如权利要求1所述的大功率电力电子器件，其特征在于，所述器件管壳减小所述IGBT芯片与所述IGCT芯片之间的杂散电感。
3.如权利要求1所述的大功率电力电子器件，其特征在于，进一步包括电流检测部件，用于在导通过程中，若检测到的电流接近所述IGCT芯片的关断能力，关断所述IGCT芯片，将电流转移至所述IGBT芯片。
4.如权利要求1所述的大功率电力电子器件，其特征在于，在所述大功率电力电子器件关断过程中，直接由所述IGCT芯片进行关断。
5.如权利要求1所述的大功率电力电子器件，其特征在于，在所述大功率电力电子器件关断过程中，先开通所述IGBT芯片，再关断所述IGCT芯片，待电流从IGCT芯片转移至所述IGBT芯片后，再关断所述IGBT芯片。
6.一种如权利要求1-5任一项的大功率电力电子器件的操作方法，其特征在于：
开通过程中，先开通所述IGBT芯片，一段时间后再开通所述IGCT芯片；
或同时开通所述IGBT芯片和所述IGCT芯片；
最后关断所述IGBT芯片；
当IGBT芯片关断失效时，通过管壳使大功率电力电子器件整体短路。
7.如权利要求6所述的操作方法，其特征在于，关断过程中，直接由所述IGCT芯片进行关断。
8.如权利要求6所述的操作方法，其特征在于，关断过程中，先开通所述IGBT芯片，再关断所述IGCT芯片，待电流从所述IGCT芯片转移至IGBT芯片后，再关断所述IGBT芯片。
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