半桥型柔性直流换流器功率模块典型故障分析

杨德林，谭令其，欧阳文艳，林曙光，宋啓能

（1.云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000；2.广东电网电力科学研究院，广州 510080）

0 引言

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converters，MMC）拓扑结构因其具有模块化集成度高、易于拓展、谐波小等特点，被广泛应用于柔性直流输电、异步联网、风电并网、无功补偿等领域[1-9]。与常规直流输电相比，模块化多电平拓扑的柔性直流输电技术具有无需受端提供换相电压、无需无功补偿和交流滤波器、无换相失败问题、有功无功独立控制等优点[10]。随着MMC由最初的低压、小容量示范工程向高电压、大容量方向的快速发展，其器件也存在模块数量多、承受电压电流应力大、辅助电路结构复杂等特点。

目前柔性直流工程上应用的MMC 主要为半桥型MMC拓扑结构，受限于现有功率子模块的耐压水平，一个阀组往往需要级联几千个功率子模块，子模块故障成为工程现场最常见的故障之一。通常柔性直流输电拓扑每桥臂设计一定数量的冗余子模块，当子模块冗余耗尽时，控保系统执行顺控程序将相应阀组停运。因此，研究半桥型功率子模块故障类型、故障特征和失效分析，对于现场故障诊断及提高柔性直流输电可靠性具有重大意义。

目前国内已有不少文献开展了绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）失效机理、故障特征的分析和研究，提出了IGBT 相应的故障检测、定位、保护等方案[11-19]，但少有文献对工程应用中的大功率IGBT 器件现场故障开展分析。本文结合工程现场实际，梳理MMC半桥子模块驱动/器件类、通信类等典型故障，并结合现场波形开展故障特征和原因分析，提出运维建议和处置措施，供类似故障处理提供参考。

1 半桥型MMC子模块介绍

半桥型功率子模块主要由两个IGBT T1和T2、两个与IGBT反并联的二极管D1和D2、储能电容器C0、均压电阻R0、旁路开关、旁路保护晶闸管、驱动板、旁路触发板、控制板、取能电源、水冷回路等组成，如图1所示。

图1 半桥型MMC子模块结构Fig.1 Structure of half-bridge MMC sub-module

（1）IGBT：IGBT 是功率子模块的核心设备，按照封装工艺划分有焊接式IGBT 和压接式IGBT，压接式IGBT 因其工艺结构采用两面散热，具有散热好、易于串联、故障后不爆炸、故障后短路通流等优点。

（2）续流二极管：每个IGBT 反并联一个二极管，根据工艺不同，有的采用和IGBT 模块化封装结构，有的采用外接结构，保证IGBT 闭锁后电流通过二极管续流。

（3）储能电容：在IGBT 两端并联储能电容C0，可起到存储能量、支撑母线电压等作用；均压电阻同储能电容并联，作为储能电容的放电回路，同时在换流阀充电时起到均压的作用。

（4）旁路开关：旁路开关并联在功率器件输出端，当功率子模块故障时，触发旁路开关合闸，将故障功率子模块隔离并提供桥臂电流通路。旁路开关通常采用双线圈和冗余触发电路设计。

（5）晶闸管：在旁路开关两端并联一个旁路晶闸管。一方面，当旁路开关发生拒动或旁路失效，电容电压持续升高，达到晶闸管的转折电压后击穿，击穿后晶闸管具备长期通流能力，作为旁路开关的后备保护；另一方面，当直流侧发生接地或短路故障时，快速触发旁路晶闸管导通分流，保护IGBT和二极管免受过电流冲击。

2 半桥型MMC子模块运行工况

图2所示为半桥型MMC 子模块示意图。正常工作时，根据IGBT开关状态的不同，对应MMC半桥子模块的三种运行状态分别为闭锁状态、投入状态、切除状态，具体如下。

图2 半桥型MMC子模块等效电路图Fig.2 Schematic diagram of half-bridge MMC sub-module

（1）闭锁状态：T1 和T2 均处于关断状态，当电流由A流向B时，电流经D1向电容充电；当电流由B流向A时，电流经D2流出将电容旁路。该状态主要出现在充电阶段或功率模块严重故障时。

（2）投入状态：T1 处于开通状态、T2 处于关断状态，当电流由A流向B时，T1接收开通信号，但仍然处于关闭状态，电流经D1 对电容充电；当电流由B流向A时，电流经T1使电容放电。

（3）切除状态：T1 处于关断状态，T2 处于开通状态，当电流由A 流向B 时，电流经T2 流出将电容旁路，当电流由B 流向A 时，电流经D2 流出将电容旁路。该状态下子模块输出电压等于0，电容保持旁路状态。

3 典型故障分析

功率模块可能的故障原因主要有通信故障、IGBT失效击穿、驱动板卡故障、取能电源故障、旁路开关误动等。实际工程中，换流阀桥臂通常设计有一定数量的冗余子模块，单一子模块故障旁路或故障旁路数量小于冗余数时，不会导致非计划停运，系统仍可正常运行，可结合停电检修对故障模块进行更换。本文针对某换流站近半年功率模块故障类别进行统计发现，故障主要以IGBT 故障/驱动异常和通信故障为主，两者合计占比高达96.8%，具体信息如表1所示。

表1 某换流站功率模块故障统计Tab.1 Statistical information of the power module faults in a converter station

由表1可知，在统计期间内，共发生功率模块故障124起，其中IGBT故障/驱动异常共80起，包括直通短路故障、单管击穿及“瞬时性”直通短路故障，占比分别为36.5%、16.7%、10.3%；通信异常共42起，占比33.3%。可见，IGBT直通短路故障、单管击穿、“瞬时性”直通短路故障、通信异常是功率模块较为典型的故障类型，本文将结合工程现场案例，对IGBT 故障/驱动异常典型故障、通信异常故障进行故障特征和理论析，并提出相应的运维建议和处置措施。

3.1 IGBT直通短路故障

由IGBT 运行工况可知，半桥型MMC 子模块在任一时刻，最多只有一个IGBT 处于导通状态[15]。IGBT 直通短路故障即在运行过程中，上、下管因驱动异常误开通、电压击穿失效、过流失效等导致的上、下管直通放电故障。

3.1.1 故障特征

IGBT直通短路故障发生后，可结合故障报文和录波进行初步分析，判断IGBT故障类型和原因。发生直通短路故障的IGBT，电容电压将迅速短路放电，子模块电压将迅速降到0。图3为工程现场2个模块（编号009、045）故障录波图（图中电压值除以13 为实际电压），功率模块处于切除状态（T1 关断，T2开通），其余模块电压呈下降趋势（电容放电），表明桥臂电流方向为反向（B→A），子模块电压在190 μs 内从2000 V 左右迅速降至0，由此可以初步判断功率模块上下管发生直通短路故障。

图3 045和009功率模块电压波形Fig.3 Voltage waveforms of power modules 045 and 009

3.1.2 停电检查

直通短路的功率模块在旁路开关合闸后退出运行，只要旁路功率模块数量不超过冗余值，不会对设备正常稳定运行造成影响。按照缺陷管理流程上报缺陷后，结合一次设备停电对故障功率模块进行检查和更换即可。设备停电后，对故障功率模块开展以下检查。

（1）通过使用万用表二极管档对上下管进行测试，测试结果为上下管管压降均为0，表明上管IGBT 和下管IGBT 均为短路导通状态，符合直通短路故障特征；

（2）对功率模块整体外观、器件外观、水管、输出排进行检查，可发现IGBT 陶瓷碎屑，因直通短路的功率模块在电容放电瞬间会产生巨大应力，导致IGBT爆炸外观发生破裂；

（3）对旁路开关进行检查，旁路开关处于合闸位置，机械性能良好，能正常分合。

3.1.3 失效原因分析

IGBT 上下管直通短路通常是首先由上下管其中一个IGBT 发生击穿引起的，IGBT 直通短路故障主要有以下情况。

（1）假设下管IGBT 在导通或关断的时候发生击穿，当上管IGBT 开通的瞬间，集电极-发射极（C-E）之间的电压迅速上升，上管驱动板卡检测到C-E间电压过高将触发IGBT短路保护，因短路电流过大导致上管IGBT 保护失败，无法关断，从而形成模块直通放电，上管IGBT也被击穿。

（2）假设下管IGBT正常导通，上管承受电容电压，上管在承压过程中内部芯片发生永久性失效，下管IGBT报二类短路故障，触发IGBT保护成功，但在旁路开关合闸后，上管IGBT和旁路开关形成直通放电回路，振荡电流将下管损坏，模块电压骤降为0。

（3）假设下管IGBT正常导通，上管IGBT关断，当上管IGBT 发生电压击穿失效时，下管IGBT 将报二类短路故障，器件驱动触发IGBT短路保护，IGBT关断失效，将导致发生上下管直通短路故障，使下管同样发生击穿失效。

以上是功率器件切除状态（T1关断，T2开通）时发生直通短路的几种典型情况，功率器件投入状态（T1开通，T2关断）时发生直通短路故障与上述情况类似。另外，实际中也存在IGBT直通放电后过大的电压变化率导致晶闸管击穿的个例，故障符合转折晶闸管过压自击穿的特性，工程中通常使用转折晶闸管作为功率模块的冗余旁路措施。

3.2 IGBT单管击穿故障

对于半桥功率模块而言，IGBT单管击穿通常仅发生于功率模块投入状态（T2承受电容电压），且单管击穿只可能表现为下管击穿，若是上管IGBT 击穿，电容电压将在功率模块切除或旁路开关合闸时发生直通短路，电容直通放电导致电压骤降为0。

3.2.1 故障特征

发生单管击穿故障后，可结合故障报文和录波对故障类型和原因进行初步分析。单管击穿故障特征表现为电容电压在故障后不再波动，而是缓慢下降。如图4（a）为工程现场104功率模块单管击穿IGBT电压波形。故障前，根据同桥臂103模块电压波形判断，104 功率模块处于投入状态（T1 开通，T2关断），根据同桥臂103 模块电压波形判断，电流方向为正向（A→B），功率模块电容电压值正常波动；故障后，104功率模块电容电压不再波动，工作电压从2057 V逐步衰减。

图4 104和103功率模块电压波形Fig.4 Voltage waveforms of power modules 104 and 103

3.2.2 停电检查

单管击穿故障功率模块停电检查与直通短路故障类似。设备停电后，对故障功率模块开展以下检查。

（1）通过使用万用表二极管档对上下管进行测试，测试结果为上管压降均为0.23～0.25 V，表明上管IGBT 正常；下管压降均为0，表明下管IGBT 内部短路导通，符合单管击穿故障特征；

（2）对功率模块整体外观、器件外观、水管、输出排进行检查，未发现异常。因单管击穿的IGBT未发生直通短路，不会产生巨大的过应力导致IGBT爆炸，外观检查正常，需对IGBT解体分析；

（3）对旁路开关进行检查，旁路开关处于合闸位置，机械性能良好，能正常分合。

3.2.3 失效原因分析

IGBT处于切除状态（T2导通，T1关断）时，T1承受电容电压，若是T1 发生击穿失效，将导致上下管直通故障，因此，上管IGBT 单管击穿失效均发生于子模块投入状态（T1导通，T2关断）；T2承受电容电压，故障时T2 内部的IGBT 或二极管子单元发生永久性失效，导致T1管呈二类短路故障，T1管的驱动板检测到短路故障并成功关断T1 管，旁路开关合闸，电容无法再进行充放电，因此模块电压故障后不再波动，开始缓慢下降。

3.3 IGBT“瞬时性”直通短路故障

IGBT“瞬时性”直通短路故障即IGBT 发生“瞬时性”直通后故障恢复且IGBT 驱动保护成功，旁路开关正常合闸，功率模块并未发生击穿失效的情况。主要原因为电磁干扰导致误触发、旁路开关瞬时性击穿等。

3.3.1 故障特征

单管击穿功率模块故障特征表现为：工作站报IGBT电源故障、驱动异常或T1短路故障，发生瞬时性直通后旁路开关成功合闸将故障模块旁路，模块电容电压通常表现为瞬跌后保持缓慢下降。

图5 为工程现场124 功率模块发生“瞬时性”直通故障的波形及同桥臂149 功率模块正常波形，故障时工作站报124 模块“IGBT1 短路故障”“旁路开关合位”，由故障录波可知，模块电压在460 μs内从2005 V突降至1985 V，随后电压缓慢下降，符合“瞬时性”直通短路故障特征。

图5 124和149功率模块电压波形Fig.5 Voltage waveforms of power modules 124 and 149

3.3.2 停电检查

“瞬时性”直通短路故障功率模块停电检查与其余故障类型类似。设备停电后，对故障功率模块开展以下检查。

（1）通过使用万用表二极管档对上下管进行测试，测试结果均表现为上、下管压降正常，表明上、下管IGBT 并未发生击穿失效，符合“瞬时性”直通故障特征；

（2）对功率模块整体外观、器件外观、水管、输出排进行检查，未发现异常，需返厂开展驱动板及旁路开关解体分析；

（3）对旁路开关进行检查，旁路开关处于合闸位置，机械性能良好，能正常分合。

3.3.3 失效原因分析

针对上述故障案例，通过故障波形判断模块电压骤降20 V后保持稳定，初步怀疑发生“瞬时性”直通短路，根据公式可计算得出，故障时刻的电流平均值约650 A，远大于无功功率为0工况下的桥臂电流，因此判定故障时刻发生了功率模块短路且IGBT短路保护正确动作，将模块旁路。发生“瞬时性”直通短路主要有以下两种情况。

（1）功率模块处于投入状态（T1 开通，T2 关断），旁路开关承受模块电容电压，假设旁路开关承压过程中发生了瞬时性击穿，与T1管形成电容放电直通回路，T1管的驱动板检测到短路故障并成功关断T1管，表现为电压骤降20 V后保持稳定。

（2）功率模块上管或下管在关断期间，若因电磁干扰致使驱动板卡异常，导致关断的IGBT 误开通，将发生“瞬时性”直通短路故障，IGBT 监测到短路故障后保护成功，旁路开关合闸，表现为电压瞬跌后保持缓慢下降趋势。

为进一步查明故障原因，对旁路开关开展返厂解体测试试验，其中旁路开关电阻、分合闸时间等均正常，对旁路开关进行开距测试和真空管真空度测试，结果均正常。最后对真空灭弧室进行解剖分析，发现触头表面有明显击穿燃弧痕迹，验证了旁路开关瞬时性绝缘击穿导致直通短路的情形。

3.4 通信类故障

柔性直流输电系统中，通常会使用大量的光纤通信，用以控制系统间通信、IGBT 触发等。大多数情况下模块发生通信中断故障后，若只有一路通信，则将导致该模块旁路，若采用交叉冗余的通信设计，可以避免单路通信故障后导致的模块旁路，将大大提高模块的运行可靠性。

3.4.1 故障特征

通信类故障因采用交叉冗余设计，通常表现为上行或下行通信故障，不会导致功率模块旁路，功率模块仍可通过交叉冗余通信正常运行。图6为工程现场124 通信模块故障录波和同桥臂131 模块正常录波，工作站报“124功能模块上行直连通信中断故障”，后台监控画面显示该模块为故障态。该功率模块电压显示值为1853 V，且和其他正常功率模块电压数值及变化趋势一致（充电时模块平均电压为1840 V），初步判断该模块仍通过交叉通信正常工作。

图6 131和124功率模块电压波形Fig.6 Voltage waveforms of power modules 131 and 124

进一步查看模块电压录波，该模块发生单路通信中断后，模块电容电压值和其他的功率模块电容电压波形保持一致，维持充电阶段的电压上升趋势，判断该故障子模块仅发生上行直连通信中断，仍可通过相邻模块交叉冗余通信维持正常工作，与阀控后台显示相互印证。

3.4.2 停电检查

现场停电检修后，主要对通信故障的功率模块进行以下检查。

（1）检查脉冲分配屏至模块间光纤座、光纤头有无异常，对光缆进行衰耗测试。

（2）检查主控板光纤座、冗余通信光缆衰耗测试，对光纤座进行光功率测试。

检查结果显示，模块与脉冲分配屏间的通信光纤均未见异常，但模块的主控板光纤座发光偏暗，对光纤座进行光功率测试，测试发光功率均低于-30 dBm（正常发光功率为-15 dBm），检测板卡均存在光纤座发光偏暗、光功率偏低现象。

3.4.3 失效原因分析

通信类故障通常故障原因可能为板卡故障、光纤破损、光纤接头松动、光纤弯曲半径过小、光纤座缺陷等原因，对故障光纤座返厂检查发现，光纤座存在发光偏暗、光功率偏低的现象，对正常光纤座模拟电气过应力（Eletrical Over Stress，EOS）测试、静电放电（Eletro Static Discharge，ESD）测试，正常光纤座出现失效，与上述故障现象吻合，判断故障原因为ESD/EOS损坏。

4 运维建议

功率模块典型故障主要有IGBT直通短路故障、IGBT单管击穿、IGBT“瞬时性”直通短路、通信故障、黑模块、旁路开关误动、驱动板卡故障等，故障类型较多，其中器件类故障、通信故障较为典型。因功率模块基数大，当故障功率模块增多时，会降低换流单元的运行可靠性，严重时危及换流阀的安全稳定运行，超过冗余值时将直接导致换流单元被迫停运。针对上述典型故障，建议采取以下运维措施：

（1）针对IGBT器件类故障，应做好故障信息统计，对比分析不同运行工况下IGBT 失效特征，开展IGBT失效机理研究，制订可行的提高其运行可靠性的措施。

（2）结合停电检修窗口，开展故障功率模块更换和返厂解体分析，确定故障元器件及原因，排除功率模块批次缺陷或制造工艺导致的故障，并制订有针对性的处置和防控措施。

（3）针对IGBT“瞬时性”直通短路故障，应返厂开展故障复现和故障模拟试验，开展旁路开关等元器件测试，确定故障根本原因。针对旁路开关击穿放电导致短路问题，应考虑在保证分合闸时间满足要求的前提下采取增加旁路开关触头开距、对触头采取大电流老炼技术等措施，并对模块继续投入运行的可行性、可靠性进行评估。

（4）针对通信类故障，应结合停电重点核查光纤座、光纤接口是否存在松动、放电痕迹等情况，检查光缆光衰是否正常，确认设计、质量是否满足技术要求，评估是否因运行环境差异导致静电损坏或电气过应力损坏，并结合实际情况采取更换不同型号光纤座或改善电磁环境的措施。

（5）针对驱动板卡故障导致误触发等问题，应着重开展板卡测试，排查驱动板卡元器件质量和寿命是否达标，抗电磁干扰能力是否满足技术规范要求，是否存在批次缺陷情况以及板卡程序、功能是否正常。

5 结束语

本文针对半桥型MMC子模块拓扑、结构及运行工况进行了阐述，结合工程现场案例对功率模块典型故障进行了分析，提出一些相应的运维建议及对策，以指导柔性直流输电工程现场缺陷分析和处理，提高柔性直流工程的运行可靠性。