高压大容量半导体阀设备技术研究

汪 涛，田 杰，丁久东，李乐乐，潘 淳

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

随着电力电子技术及元器件的发展，其在柔性输电领域的应用越来越广泛。利用大功率电力电子设备的快速响应能力，可实现对电压、功率潮流的平滑控制，提高传输功率的能力，改善电能质量；也可以实现高压大功率直流输电[1]。在大容量无功补偿应用方面，有SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静止同步补偿器）、TSC(晶闸管投切电容器）、TCSC（晶闸管控制串联电容补偿器）、CSR（可控电抗器）等[2]，已投运的埃塞俄比亚HOLETA变电站 SVC容量达 900 Mvar。在HVDC（高压直流输电）应用方面，昌吉-古泉工程电压已达±1 100 kV，功率12 000 MW。柔性直流输电方面，建设中的张北工程电压达±535 kV，功率3 000 MW。

高压大容量柔性输电技术的快速发展对核心设备半导体阀的设计、控制和试验技术提出了更高的要求。阀的工作电压越来越高，容量越来越大，采用何种拓扑设计满足特定的应用需求是一个必须解决的问题，比如阀设备设计中的散热、绝缘、过电压、抗震等。阀控制设备的控制对象数量成倍增加，处理数据的规模和速度要求越来越高。半导体阀设计复杂，涉及很多技术和学科，包括半导体及驱动技术、阀拓扑技术、高压及绝缘技术、多物理场仿真技术、机械制造及集成技术、阀设备控制与试验技术等。

本文研究了半导体阀在柔性输电领域中的多种应用，分析了半导体阀的2种典型拓扑结构及特点；介绍多种物理场解决阀设计的问题，并研究了不同拓扑结构的驱动控制保护技术和阀控制技术原理；同时，结合国内一些工程应用实例的实施经验，指出其存在的一些问题和今后的研究方向。

1 功率半导体及阀设备

随着智能电网建设的发展，高压大容量柔性输电技术应用发展迅速，对功率半导体的基本要求是单一器件功率密度大，器件导通及开关损耗小，易于串并联使用。

目前用于电力系统的功率半导体器件主要有SCR（晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、IEGT（注入增强栅晶体管）等。SCR为半控型器件，广泛应用于SVC，TSC，CSR和直流输电换流阀等，其门极控制采用电流驱动[3]，开关频率为电网频率；IGCT为全控型器件，集成了门极驱动电路，工作频率在数百赫兹至一千赫兹[4]，其驱动功耗大；IGBT和IEGT为电压驱动型全控器件，广泛应用于SVG和柔性直流换流阀等，其驱动功率小，开关频率可达数千赫兹；根据封装不同，分为焊接型IGBT和压接型IGBT；焊接型IGBT为单面散热、功率较小、失效后为开路模式，压接型IGBT为双面散热、功率更大、失效后为短路模式[5]。

BIGT（双模式绝缘栅晶体管）将IGBT和二极管集成在一个芯片上，可以实现更大功率密度，但是器件在关断期间需要根据电流方向调整驱动电压，控制复杂[6]。宽禁带半导体技术发展迅猛，SiC相对Si半导体材料，其耐压是Si的10倍，热阻是Si的3倍，结温可达250℃[7]。美国Cree公司已经研发了27.5 kV的SiC IGBT[8]，Virginia Tech的电力电子中心CPES研究采用10 kV的SiC MOSFET开发全桥模组用于MMC（模块化多电平换流器）[9]，SiC半导体器件开关速度可以很高，其应用可以有效减小半导体阀设备的体积和重量。

高压大容量半导体阀工作电压数百千伏，容量数百兆瓦，采用目前任何一种功率器件，单一元件都无法实现。因此需要将多个同型号的功率器件按照一定的拓扑结构组合成一个高压大容量电子开关设备－半导体阀。

2 阀拓扑与电气设计研究

半导体阀主要由功率半导体器件组成，包括阻容器件、控制电路等辅助器件，其最基本的拓扑结构主要有功率器件直接串联型拓扑结构和子单元级联型拓扑结构2种，如图1所示，其中子单元可以有很多种不同的电路单元[10]。

图1中（a）和（b）为功率器件直接串联型拓扑，图1（a）为晶闸管阀，晶闸管直接串联在一起，每级晶闸管并联了阻尼吸收电路和TCU（晶闸管控制单元）等[11]，典型应用如高压直流输电、CSR等；图1（b）为直接串联型IGBT阀，IGBT器件直接串联在一起，每级IGBT并联了均压电路和GCU（门极控制单元）等[12]，典型应用如两电平的柔性直流输电、三电平直串式SVG等。

图1 直接串联型拓扑与子单元级联型拓扑

图 1（c）和图 1（d）为子单元级联型拓扑， 阀设备由很多个子单元串联组成，每个子单元由不同数量的开关器件和电容组成，图1（c）和图1（d）都为IGBT阀，子单元可以为半桥、全桥及其他类型拓扑，典型应用如柔性直流输电MMC和H桥级联型SVG等。关于新型子单元拓扑在模块化多电平换流器中的应用，国内外学者做了很多研究，文献[13-17]等主要从减小谐波含量、降低阀损耗、减少元器件数量、减小阀体积，快速隔离直流故障能力等方面做了相关研究。

器件直接串联型拓扑，阀设备等效于一个高压开关，所有功率器件同步开通和关断，通过PWM（脉冲宽度调制）技术模拟正弦波输出[18]，功率器件应具备易串联、失效后自动短路的特性[19]。串联型拓扑交流输出谐波含量大，需要装设较多滤波器，为了减小谐波含量，一般开关频率不能太低，IGBT阀开关频率可达1～2 kHz，对于百兆级的阀设备，开关损耗很大[20]。图2（a）给出了直接串联型拓扑的换流器交流侧输出电压波形。

子单元级联型拓扑，阀设备由多个子单元串联组成，每个子单元内有储能电容，通过控制不同子单元中功率器件的开关，各子模块电容电压根据需要叠加形成输出的电压波形，当子模块个数较多时，交流输出的谐波含量小，对滤波器要求较低。通过优化的阀控制策略，在输出波形的台阶变化处，可以保证只有极个别模块需要开关，每个器件的开关频率较低，开关损耗较小[21]。针对IGBT阀的应用，柔性直流输电MMC的器件平均开关频率在100～200 Hz，H桥级联型SVG的器件平均开关频率在300～500 Hz。如图2（b）给出了子单元级联型拓扑的换流器交流侧输出电压波形。

图2 换流器交流侧输出电压波形

阀电气设计针对阀的电应力裕度，如串联或者级联单元个数的选择，各元器件参数设计，以保证阀在长期运行工况、各种系统故障运行工况、暂态冲击性运行工况下，阀整体及所有部件的电压及电流应力裕度安全。研究阀运行的各部件及总体故障率，设计一定的单元冗余度保证阀可靠运行。分析阀的总体损耗，各元器件损耗分布及温升裕度，研究如何降低阀损耗。文献[21-26]研究了阀可靠性与串联单元数量设计、主电路参数设计、阀过压及过流保护设计。文献[27-28]研究了阀通用损耗计算方法。不同半导体器件、不同拓扑构成的阀，不同应用领域的阀，电气设计的要求不尽相同，研究的对象和领域众多，本文仅介绍一些通用设计原则。

3 阀多物理场仿真与结构设计研究

设计一个工程阀设备实体，包括子单元结构设计、阀组件结构设计、阀塔结构设计、阀悬吊或者支撑结构设计；进出线及铜排、光纤、水路及冷却系统设计、检修通道等设计；还需要考虑绝缘配合、防火、防震等要求。涉及很多工程设计技术，其中多物理场仿真分析技术的应用越来越重要。

阀设备在运行中存在多种物理场，如温度场、电磁场、位移场等[29]。在实际工程中非常复杂的结构都可以离散为有限个单元组合的有限元模型，通过有限元分析方法可以分析阀设计中的各种物理问题。通过对阀设备运行中存在的多物理场仿真，可以减少设计样机试验验证的反复，节约试验成本，缩短半导体阀设计的开发周期。温度场仿真可以分析半导体器件的结温，电磁场仿真可以分析阀塔的电场、磁场分布，位移场仿真可以分析阀塔的抗震能力。

阀设备核心功率器件的额定参数选择是一项重要的设计工作，器件参数选择过大，设备造价高且容易带来浪费，选择过小，在恶劣工况下一旦发生过负荷可能造成设备损坏。以某阀设备设计为例，引入温度场和流场的仿真分析可以设计水冷系统的流速，计算流阻和散热器温度。当阀设备的额定运行功率确定后，功率器件的额定损耗及最大损耗可以计算出来，在水冷系统设计过程中，仿真技术可以校核散热器表面的温升和半导体器件的结温[30-32]。文献[33-34]通过研究热敏感电参数在线提取大功率半导体器件的结温，文献[35-36]研究基于结构函数的IGBT热阻测试方法，这些都为实际校核基于温度场和流场的仿真提供了物理测量方法。通过仿真对比分析图3中2种不同水冷散热器结构，优化了水道的形状，降低了热阻和流阻，散热器的流阻从200 kPa降至88 kPa，热阻由6℃/kW下降至5℃/kW。带来的直接效益是水冷系统的成本降低。在实现相同的换流器功率输出条件下，本来需要选择额定电流1 200 A的功率器件，现采用1 000 A即可满足设计要求，降低了阀设备的造价。

图3 水冷散热器水道优化设计

阀设备组件种类多，形状各异，有限元分析法适于解决几何模型复杂的电磁场分布问题，通过电磁场仿真分析阀塔的电场和磁场分布，可以对阀设备间的布局、阀层间距进行设计和校核。在绝缘设计中，当阀塔组件间绝缘材料的电介质承受的电场强度超过一定限值时就会绝缘击穿，如图4所示，通过仿真分析阀塔电场强度及分布确保阀设备上最大电场强度不会超过绝缘介质（如空气等）的临界场强，如果绝缘介质被击穿就有必要对阀塔结构模型进行优化[37-38]。在阀设备过电压分析过程中，也可以通过仿真获得的电场/磁场能量和施加的激励电压/电流关系提取阀塔的寄生电容和电感参数，如同层的2个子模块之间、阀层与阀层之间、子模块与屏蔽罩之间的寄生电容参数；用于建立阀塔的宽频等效模型，进一步分析阀塔在操作过电压、雷电过电压、陡波过电压的扰动下阀塔内电压分布，确保半导体阀设备的各组件安全。

图4 相邻阀塔电场分布仿真分析

阀设备组件多，自重大，在换流站阀厅中一般有立式和悬吊式2种安装方式。以某立式阀设备为例，在计算重力作用的静力分析时，施加重力加速度载荷，通过对阀塔位移场的仿真（如图5所示），可以计算出支撑组件的应力和形变，校核阀塔起主要支撑作用的绝缘型材强度、阀塔的结构布局是否有足够的安全系数。阀设备的设计需要考虑在9级地震烈度的抗震能力，做抗震分析校核时按照一定的模型施加地震载荷，计算阀塔地震作用和重力作用的组合工况[39-40]，得出阀塔在一定标准地震烈度作用下的最大响应位移和加速度，校核阀塔强度是否可以抵御。

4 阀控制技术研究

阀设备在运行中需要控制各功率器件及子单元的工作，监视其运行状态。阀设备的控制需要根据其拓扑结构、功率器件工作特性来区分。

图5 阀塔应力与应变仿真分析

针对直接串联型阀设备的控制，以典型的半控器件晶闸管和全控器件IGBT分别说明。晶闸管阀，阀控根据上层控制系统发来的触发角脉冲信息，生成同相的点火脉冲信息给串联的晶闸管TCU（如图6所示）。TCU完成自取能、驱动和保护晶闸管、监视晶闸管状态并上送阀控。IGBT阀，阀控根据控制系统发来的电压调制波形按照PWM调制策略，生成同相的控制脉冲给串联IGBT的GCU；GCU完成自取能、动态均压、驱动和保护IGBT，监视IGBT状态并上送阀控。

图6 串联阀控制系统框图

工程实施中，阀设备控制需要处理一些难题。首先要解决控制单元的供能，阀各级串联功率器件电位不相等且对地电压很高，采用外供电需要解决高压绝缘问题。针对大量TCU/GCU外供电经济性差，一般在功率器件关断期间通过RC回路从器件两端自取能，对于特殊应用如张北直流断路器阀，其运行工况不支持自取能，为了提升可靠性，采用了激光及CT双供能方式。其次是解决串联器件开关过程中动态不均压的问题，器件的晶圆批次不同导致动态特性有一定的分散性，开通慢的器件可能会被击穿。通过在器件两端并联RCD电路抵消开关速度的差异，但是会带来开关损耗的增加，适用于开关频率低的应用，如直流断路器；也可以在控制单元上增加动态有源箝位电路，检测器件两端电压闭环反馈提升栅极电压，适用于开关频率高的应用，如直接串联型柔性直流输电。再次，还要解决对功率器件的保护和监测，串联阀中某级TCU/GCU无法收到阀控的触发信号时会损坏对应的功率器件，需要在控制单元上设计过压自触发保护电路，器件失效时需上报阀控系统。国内某直流输电工程运行中曾经出现多次换相失败，分析认为是晶闸管阀脉冲丢失导致，但是因为阀控设备没有录波，无法确定是上层控制系统还是阀控系统的脉冲下发环节受干扰所致。目前，行业内领先厂家的阀控设备，已经能实现对所有晶闸管级触发及反馈信号、器件状态监视的50 μs级录波。

针对子单元级联型阀设备，控制较复杂，控制系统将需要输出的正弦电压调制波形送给阀控装置，阀控按照一定的调制策略协调控制阀设备内数百个子模块的开关。最近电平逼近调制策略采用最近的电平瞬时逼近正弦调制波[41-42]（如图7所示），实现最简单，动态性能好，适用于子模块数量较多的应用领域如柔性直流输电MMC；载波移相调制策略针对每个相邻的子模块，三角载波移相π/N，N为阀串联的子单元数，能在较低的器件开关频率下实现较高的等效开关频率，适用于子模块数量较少的应用领域如H桥级联型SVG。

图7 最近电平逼近调制输出波形

子单元级联型阀内功率器件不存在开关过程中的动态均压问题，但子模块间存在电容电压均衡控制问题，阀控的电容电压排序以及均衡控制算法相关研究较多，主要在以下控制目标间取得最优平衡：减小平均电压波动系数、减小电容电压不平衡度、降低器件开关频率和算法实现难度等。工程实施中采用对电压设上下限的增量式均压算法，能在以上目标中取得较好的平衡。MMC柔性直流输电由三相组成，三相投入的子模块电容电压之和不平衡还会带来桥臂间环流问题，加剧子模块电容电压的波动，增加了换流器的损耗，不仅降低了系统运行的经济性，也对电容和功率器件的参数选择提出了更高的要求。增大桥臂电抗可以抑制环流，但是增加了设备成本。工程中主要通过提取桥臂环流中的二倍频分量进行闭环控制输出环流校正电压参考值，叠加到桥臂电压参考值上。本质上是通过调整桥臂的投入子模块个数来抑制桥臂环流，但是该调节方式具有最小投入一个子模块的限制，因此存在一定的调节死区及控制精度受限问题。

子模块拓扑较直接串联型复杂，子模块内器件种类较多。以半桥和H桥型IGBT子模块为例，子模块内包括若干IGBT器件、储能电容、旁路晶闸管、旁路开关、直流取能电源、IGBT驱动保护电路、开关和晶闸管驱动保护电路、子单元控制电路等。内部接线较多，故障类型多，阀控实时下发的控制命令和子单元控制电路上传的监视信息量大。阀控与阀设备的众多子模块控制单元构成大分布式I/O（输入/输出）系统，阀控作为所有子单元的中央集控单元，需要按照一定的策略监视并协调各子模块电容电压保持平衡，按照一定的调制策略下发各子模块的投入和退出控制命令，处理所有子模块上报的故障状态信息，保护子模块不损坏且不影响阀设备运行。

半导体阀设备在运行中会遇到各种系统故障等极端工况，阀设备的保护功能至关重要。过电压保护可以通过上层控制保护系统、阀控系统、子单元或者器件过压保护电路多级协同配合，根据保护延时相互形成后备。IGBT阀耐受过电流时间很短，阀控需要具备快速过电流保护能力，张北柔直阀控提出了100 μs的保护时间要求，包括从故障电流检测到换流阀闭锁整个过程。通过采用全光学式电流互感器，高速通信总线以及FPGA（现场可编程门阵列）透明传输等技术实现了快速过流保护。

工程中有不少难题需要解决，为了提升系统的平均无故障运行时间，柔性直流输电MMC中设计了冗余子模块，通过机械式旁路开关切除故障子模块不影响系统的运行。但是遇到子模块的电源故障以及旁路开关故障的时候，有子模块无法旁路的风险，此时一个子模块的故障可能造成整个系统的停运。采用相邻子模块交叉取能、爆炸式开关取代机械式开关、子模块过压失效后可长期短路运行的功率器件等是可能的研究方向。阀设备的控制系统是一个大型的分布式I/O系统，在遇到电力系统短路等故障时，这个控制系统的延时将影响控制的稳定性。为了减小控制和保护延时，优化阀控的控制层级，采用千兆以上光纤实现层间数据透传，采用FPGA硬件并行处理替代DSP（数字信号处理）软件串行处理等都是可能的研究方向。

5 阀试验技术研究

半导体阀设备的基本组成单元为功率器件和子单元，器件和子单元级试验主要验证其开关特性、电气应力、热应力、故障暂态应力及保护特性。晶闸管级测试关注开关特性，如开通di/dt，关断过程中的反向恢复特性及应力，如反向电压过冲及du/dt，其原理如图8（a）。全控型器件的测试较SCR复杂，需要搭建双脉冲测试平台，其原理如图8（b），可以测试全控器件的开通和关断损耗、开通和关断时间等，用于器件的选型评估、器件的驱动开发设计评估。实际设计出的子单元样机也必须开展双脉冲测试，用于评估器件的开关特性与子单元的寄生参数、结构设计是否匹配，校核子单元上器件的电气应力及安全工作区。

针对实际子模块，需要搭建功率试验平台，考核子模块在连续功率运行条件下的热稳定性、电磁兼容性设计，以半桥子模块试验为例，其原理如图8（c），采用2只半桥子模块通过电感连接作为功率交换途径，外部直流电源给电容充电补充运行试验中的损耗。在最大连续直流电压、额定电流、最大连续工作频率条件下，检验单个子模块中各器件对电流、电压、热应力的适应性。

图8 晶闸管及IGBT双脉冲、功率试验原理

半导体阀设备根据其应用的产品，需要满足相应的IEC（国际电工委员会）标准，一般包括绝缘试验和运行试验。其中，绝缘试验主要针对阀对地、阀端间的绝缘，包括交直流耐压试验、雷电及操作冲击电压试验和局部放电试验；运行试验包括周期触发试验、最小交/直流电压试验、故障（如短路）电流试验等。

柔性输电领域的半导体阀设备发展方向为高压大容量，电压数百千伏，功率可达数百至数千兆瓦，采用全功率试验考核阀设备性能所需试验电源容量大，试验电源无法满足，需要研究如何以较少的代价真实地再现可能作用在阀上的各种应力，即阀的等效试验技术[29]。采用的替代试验系统所产生的电气应力、机械和热应力要与阀实际运行中遇到的最严重工况等效，对于直接串联的晶闸管阀设备，目前主要采用合成回路的等效试验技术，试验电流和试验电压分别由2个独立的电源产生，电流源提供晶闸管阀导通期间的大电流，电压源提供晶闸管截止期间的高电压，按照设计的逻辑控制电压源和电流源交替施加在被测试阀设备上[43]。国内已建成的合成试验回路容量已达稳态100 kV/8 kA，冲击电压300 kV，故障峰值电流90 kA。对于全控器件组成的阀设备，由于功率器件开关速度快，采用合成回路切换电源模拟阀设备开关过程的应力较困难[44]，目前主要采用小容量背靠背试验方法，如图9所示的MMC柔直背靠背试验系统，实际工程中，一个阀臂由很多个阀层级联而成，在建立等效试验平台时，将一个标准阀层作为一个阀臂进行试验，降低了试验直流电压，但对于每个阀层，其运行的电压和电流与实际工程的额定参数一致，但由于等效成一个阀臂的子模块级联数较少，输出的交流波形谐波含量较高[45]。

图9 MMC柔直背靠背试验原理

6 结语

本文研究了柔性输电领域高压大容量阀设备的功率器件技术、拓扑类型、阀多物理场仿真设计技术、阀控制技术、阀试验技术等。以实际工程应用的晶闸管阀、串联IGBT阀、半桥和全桥子单元级联型IGBT阀为例对比分析了不同的拓扑设计、阀控设计和试验技术。

柔性直流输电工程在中国建设近5年，输电容量从数百兆飞跃到数千兆，在直流输电应用中IGBT阀比晶闸管阀优势明显，但是从工程运行的可靠性比较，目前IGBT阀的故障率还是比晶闸管阀要高不少。未来万兆级柔性直流输电及混合式直流输电[46]必将成为主流，超大功率半导体应用技术、混合式拓扑及阀控制技术、阀可靠性运行技术、阀故障自诊断及在线监视技术将是促进柔性输电发展的关键。欧洲柔性直流输电主要应用于海上风电场功率送出，柔性直流换流站建在海上平台上，未来随着国内远海海上风电建设的发展，海上平台阀设备建设将面临更大的挑战。