应用于MMC的大功率电力电子器件及其操作方法与流程

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(modularmultilevelconverter,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(insulatedgatebipolartransistor,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(theintegratedgatecommutatedthyristor，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。

技术实现要素：

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系统整体的可靠性。

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。