用于风电的模块化多电平变流器IGBT的定制化设计

何伟冬， 王学梅

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510640)

0 引言

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)凭借输出波形质量高、开关损耗低、扩容维修灵活方便等优点[1—5]，广泛应用于风力发电系统中。绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模块是MMC的核心部件，其成本约占设备投入总成本的20%～30%[6]。因此，合理设计IGBT模块能够降低换流器设备的一次投入，同时可以改善系统的效率、温升等性能，降低系统运行成本，提高工程的经济效益。

传统的工程设计方法中一般会根据最严峻工况下IGBT和二极管所承受的电流、电压应力选择功率器件，以保证结温不超过所允许的最大值。这种方法往往要求反复尝试不同型号的半导体器件，更多的是依靠设计人员的经验，缺乏系统的设计准则，且一般情况下留有较大的裕量，存在明显浪费模块容量的现象。文献[7]基于上述选型原则，针对多端直流输电系统，直流电网这类场合进行分析，此时，IGBT模块的各个功率器件在最恶劣工况下承受的电流应力大致相同，因此选择上、下桥臂对称相等的IGBT半桥模块。但在一些特殊应用中，例如新能源发电汇集并网或者是向无源海岛供电等场合中，IGBT模块内不同开关管的电流有效值差距很大，若继续沿用文献[7]的方法进行设计，采用芯片面积对称的IGBT模块，会造成模块芯片成本方面的浪费，因此可以结合各场合的特点优选IGBT模块。

在电力电子系统中，为使IGBT模块处于合适的工作状态，一方面可优化变流器运行时的开关频率、调制方式、负载电流等电气参数来降低IGBT模块的损耗与热应力[8—9]；……