柔性直流输电功率器件的现状与发展方向

姜海博

摘要:本文介绍了柔直工程中功率器件的选型，并对功率器件的国产IGBT与国外主流厂家的产品进行对比，并从新工艺、新材料以及性能提升三个方面分析了目前功率器件（IGBT）的发展方向。

关键词:柔直直流，功率器件，IGBT，BIGT

0引言

近年来国内的柔性直流技术蓬勃发展，南澳、舟山、厦门、鲁西背靠背等多个柔性直流工程陆续投运，渝卾背靠背、张北、乌东德等项目也先后启动，国内外对柔性直流设备的研发热情空前高涨。

随着国家的大力扶植，目前我国已具备柔性直流换流阀的国产化能力，接近国际先进水平，但值得注意的是，对于柔性直流换流阀中的一些核心元件，比如功率器件（IGBT）、电容器，国内厂家还是比较依赖进口。

本文介绍了柔直工程中功率器件的选型，并对功率器件的国产IGBT与国外主流厂家的产品进行对比，最后分三个方面对目前功率器件（IGBT/IEGT）的发展方向进行介绍。

1功率器件的国内外现状

1.1柔直工程中功率器件的选型

柔性直流与常规直流最大的区别是其采用了可关断的功率器件，进而获得更快的响应速度，保证了有功、无功可以解耦控制，同时避免了常规直流换向失败的产生。

IGBT（IEGT）和IGCT是目前较为常用的两种可关断电力电子器件，但由于IGCT存在驱动功率大（电流型驱动）、电流关断能力弱、开通速度慢和需要额外缓冲回路等明显缺点，因此集合了MOSFET和电力晶体管双重优点的IGBT成为柔性直流中的主流应用，目前业内柔性直流工程无一例外均采用IGBT（IEGT）作为主开关器件。

应用于电力系统中的IGBT（IEGT）封装主要有焊接式和压接式2种。传统的焊接式IGBT，故障后可能会出现爆炸的情况（厦门柔直工程中曾多次出现），会影响电力系统的可靠性。

而压接式器件其安装调试更为容易，消除了引线键合点、焊层可靠性低的问题，且具有独特的短路失效模式，在其短路故障情况下其表现的特性为短路，在大容量、长距离输电领域等高可靠性要求的场合具有独特的竞争优势。因此在今后的一段时间内，电网工程中压接式IGBT（IEGT）将会成为主导。

1.2IGBT（IEGT）的国内外现状

大功率IGBT（IEGT）的厂家主要有ABB、东芝、Westcode、英飞凌、三菱等，目前国外厂家在1700V以上电压等级的IGBT基本处于垄断地位，IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

柔性直流工程普遍采用MMC模块化多电平技术，该技术很大程度上降低了功率元件串、并联引起的均压、均流的隐患。但随着柔性直流技术逐步朝着高电压、大电流方向发展，对于单个功率元件的电压和电流的要求也逐步上升，功率元件更高的电压意味着模块数量的下降和阀控复杂程度的下降，而由于一旦均流出现问题导致的后果较为严重，MMC模块化多电平技术极少考虑并联，所以电流的上升更是直接决定了输送功率的上限。

值得注意的是各功率厂家研发更大功率的器件的主要原动力在于中国电力市场。

本文梳理了国内外最新的压接式IGBT（IEGT）的参数一览表，如表2所示：

目前国外厂家（ABB、东芝、Westcode）的压接式IGBT，4500V等级的器件可以做到3000A，Westcode6500V等级的器件可以做到1890A，其性能参数各有千秋。

ABB和Westcode的器件安全工作区大，暂态损耗较小；而东芝的器件结温较高，通态损耗较小，最重要的这几种器件均有一定的短路失效能力。

株洲南车集团正在积极开发大功率IGBT，近期也完成了3300V、3000A的压接型器件的研发，如表2所示，目前由于该器件的成熟度受限，仅完成样片开发，很多参数还没有公布（从现有的参数来看不如其他几款，主要体现在标称电压较低），尚不具备在大型电力工程（可靠性要求高）中应用的条件。

2功率器件的创新方向

2.1IGBT（IEGT）的性能提升

首先更高电压、更大电流的IGBT是一个重要的创新方向。受中国柔性直流工程的推动，目前各主流厂家有研发更大功率的压接式IGBT（IECT）的研发计划。

ABB公司其研发的思路主要从器件的封装做起，以提高器件的额定电流，计划于2019年推出4500V5500A的压接式IGBT。

此外，随着各种新结构、新工艺及新材料技术还在不断涌现，其他重要性能指标也在不断提高，目前各厂家均在对自身成熟的产品进行研发，已获得更低的通态损耗、开关损耗、更高的结温限制，以在同业竞争中获取优势。

2.2新一代功率器件BIGT

作为功率器件的领军企业，ABB公司正在研发下一代功率器件BIGT，其原理图如下图所示，研发成功后由于其双向导通性会改变目前的主流拓扑结构。

图BIGT拓扑及原理图

BIGT是一种先进的逆导IGBT器件概念，主要目标是提高高压IGBT的功率密度以适应下一代电力电子系统的需要。新器件可以工作在续流二极管模式和（IGBT）晶体管模式，并且在这两种模式下导电区域是相同的。所以使用BIGT技术的目标是彻底实现用BIGT单芯片来替代现有的IGBT/二极管双芯片，并且提高整体性能，尤其是在硬开关条件下能呈现出功耗低、开关软度大和安全工作区宽的特性；在相同的封装尺寸下，可将模块电流提高30%,还可以将电流及温度传感器集成到芯片内部，实现芯片智能化。

目前ABB公司已推出了5200V3000A的BIGT样片，并已经在全球多个工程中参与竞标。

2.3碳化硅材料

碳化硅(siliconcarbide，简称为SiC)电力电子器件应运而生，在未来电网应用中显示了巨大的潜力。

表1SiC主流厂家产品

SiC器件最重要的系统优势在于具有高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性，突破了硅基电力电子器件电压(数千伏)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性，此外碳化硅通态损耗方面较传统的硅芯片表现良好，已逐步开始工业化，在某些小功率场合已得到应用，随着其技术的进步会逐步取代硅，成为电力电子元件的主流材料。

国外厂家已有SiC材料应用在二极管、MOSFET、IGBT等功率器件中，目前各主流厂家的产品表如下表所示：

表2国内外最新压接式IGBT（IEGT）对比表

3结论

本文介绍了柔直工程中功率器件的选型，对功率器件的国内外最新的压接式进行了对比分析，并从新工艺、新材料以及性能提升三个方面分析了目前功率器件（IGBT）的发展方向。

参考文献

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[2]于坤山，等.IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J].电力系统自动化,2016,34(4):47-50.

[3]许卉.柔性直流输电技术发展现状研究[J].科技创新与应用,2015,2(12):37-39.

作者简介：姜海博(1987.2.8)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为变电电气；单位：电力规划设计总院；