模块化多电平换流器IGBT...失效机理和状态监测研究综述_阳同光.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220520 模块化多电平换流器 IGBT 模块失效机理和状态监测研究综述 阳同光1,2，沈 兵2,3(1.湖南城市学院机械与电气工程学院，湖南 益阳 413000；2.智慧城市能源感知与边缘计算湖南省 重点实验室，湖南 益阳 413000；3.南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421200)摘要：全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor,IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的核心功率器件，其失效机理研究和状态监测技术对保证 MMC 的运行可靠性具有重要意义。IGBT 模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响 MMC 的工作性能。目前 IGBT 模块状态监测综述较多，但缺乏对 MMC 中 IGBT 模块状态监测的相关总结。首先分析了 MMC 的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型 IGBT 的失效机理，总结了 IGBT 模块的状态监测技术，并补充了 MMC 子模块中 IGBT 模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足，结合当下的研究现状，展望了未来柔性直流输电系统中 IGBT 模块状态监测与评估的研究方向。关键词：柔性直流输电；MMC；IGBT 模块；失效机理；状态监测 Review of failure mechanism and state monitoring technology for modular multilevel converter IGBT modules YANG Tongguang1,2,SHEN Bing2,3(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan City University,Yiyang 413000,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Smart City Energy Perception and Edge Computing,Yiyang 413000,China;3.School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang 421200,China)Abstract:As the core power device of a modular multilevel converter(MMC),the failure mechanism study and condition monitoring technology of insulated gated bipolar transistor(IGBT)modules is of great significance in ensuring operational reliability.Distortion of operating parameters and internal structural abnormalities caused by IGBT module deterioration will seriously affect the working performance of an modular multilevel converter(MMC).At present,there are many reviews of IGBT modules status monitoring,but there is a lack of relevant summaries of IGBT module status monitoring in an MMC.First,the structural characteristics and working principle of an MMC are analyzed.Then,according to the failure mechanism of power-module and press-pack type IGBT,the state monitoring technology of the IGBT modules is summarized,and the state monitoring method of the IGBT modules in the MMC sub-module is supplemented and analyzed.Finally,in view of the shortcomings in current research,combined with the current research status,the research direction is suggested for IGBT module condition monitoring and evaluation in a flexible HVDC transmission system.This work is supported by the Key Research and Development Program of Hunan Provincial Department of Science and Technology(No.2021GK2020).Key words:flexible HVDC transmission;MMC;IGBT module;failure mechanism;condition monitoring 0 引言 模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其输出谐波低、快速可控和延展性强等 基 金 项 目：湖 南 省 科 技 厅 重 点 研 发 计 划 项 目 资 助(2021GK2020)；湖南省自然科学基金项目资助(2021JJ30079)优点，较传统换流器更适用于高电压大功率传输，是柔性直流输电系统的核心装置1-3。全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor,IGBT)具有开关频率高、驱动简单、功率容量大、热稳定性好等优点，被广泛应用于模块化多电平换流器。IGBT 模块在模块化多电平换流器内数量庞大、水路和散热器分布复杂，且长期处于低开关频率的工阳同光，等 模块化多电平换流器IGBT 模块失效机理和状态监测研究综述 -175-作状态和恶劣的外部运行环境，伴随运行年限的增加，在内部电热效应的持续冲击下，发生由老化到失效的参数性故障，使其成为故障发生率最高的器件4。据行业调查报告显示，电力电子换流器系统故障的 39%可归因于 IGBT 模块的故障和损坏，而IGBT 模块及其驱动器的故障占系统故障的 50%以上5-6。因此，IGBT 模块作为模块化多电平换流器中最重要的器件之一，对其运行状态进行实时监测及时获取其运行状态信息，对IGBT 模块的可靠性评估和寿命预测，以及保证模块化多电平换流器乃至整个柔性直流输电系统的稳定运行都有着重大意义。1 MMC 工作原理 MMC 根据梯形波逼近正弦波的工作原理，采用一定的调制方法，使子模块按正弦波形式输入，通过调整桥臂上子模块的导通数量，继而输出最接近的桥臂参考电压7。理论上，MMC 子模块数量越多，则输出的电压等级越高，以渝鄂联网背靠背柔性直流输电工程为例，每个桥臂子模块数量约为540 个(含冗余装置 40 个)，一个三相 MMC 就含有近 3240 个子模块，因此子模块是 MMC 极其重要的部分，MMC 的运行可靠性与其密切相关8。MMC 的电路拓扑图如图 1 所示，其中，dcU为直流侧的输出电压，dcI为直流侧的输出电流，每个桥臂的电压值为dc/2U。如图1可知，MMC由三相共6个桥臂组成，每相包含上、下两个桥臂，上、下两个桥臂的中点接入交流端，上、下两个桥臂串联直接接入直流端，而每个桥臂由 N 个SM模块与一个阻抗器级联而成，可最多输出1N+个电平9。图 1 MMC 电路拓扑结构图 Fig.1 MMC circuit topology diagram 由于MMC中3个相单元具有严格的对称性，相单元中的上、下两个桥臂同样也具有严格的对称性，以a相为例。a相上、下桥臂电压和电流可分别表示为式(1)和式(2)所示。a1dcaa2dca1212=-|=+|uUuuUu (1)a1dcaa2dca11321132iIiiIi=+|=-|(2)式中：a1u和a2u分别为上、下桥臂电压；ua为交流侧输出电压；a1i和a2i分别为上、下桥臂电流；ai交流侧输出电流。MMC子模块根据器件种类和排列方式的不同，分为多种结构，一般包括半桥型SM模块、全桥型SM模块和级联两电平型SM模块，不过由于应用范围、成本以及占有空间等因素，在柔性直流输电系统中多采用半桥型子模块10。由图1中半桥子模块拓扑图可知，每个MMC子模块SM由一个电容器C并联两个串联的IGBT(VT1,VT2)，其中每个IGBT反并联一个续流二极管D(VD1,VD2)，子模块中的电容起到提供直流电压和抑制输出谐波的作用11。smU和smI分别为输入电压和输入电流，cI为集电极电流。IGBT模块在SM内导通状态下，典型的近似线性关系如下12。TT0TTUUir=+.(3)DD0DDUUir=+.(4)式中：TU、DU分别为IGBT和二极管导通时的端电压；Ti为IGBT集电极电流；Di为二极管电流；T0U、D0U为通态电压偏置；Tr、Dr为通态电阻。通过控制VT1、VT2的导通，使子模块处于不同的工作状态，取流入子模块方向为正，过程如下。1)闭锁状态：当VT1和VT2均处于关断状态，此时开启MMC，如果电流流向为正，则子模块向电容器充电，电压表现为电容电压cU；如果电流方向为反，则子模块被旁路，输出电压为0。2)投入状态：当VT1导通，VT2关断，若桥臂电流为正，电容充电；若桥臂电流为负，电容处于放电状态，输出电压均为电容电压cU。3)切除状态：当VT1关断，VT2导通，子模块处于被旁路状态，输出电压为0。不同状态下子模块电流流向图如图2所示。基于以上分析，将不同情况下子模块的工作情况总结于表1，其中0表示关断，1表示导通，正方向为流入子模块的电流方向。-176-电力系统保护与控制 图 2 子模块电流流向图 Fig.2 Current flow diagram of sub-module 表 1 子模块工作情况 Table 1 Working conditions of sub-modules 工作状态 VT1 VT2 电流方向 工作情况 闭锁 0 0 正 电容充电 闭锁 0 0 反 子模块旁路投入 1 0 正 电容充电 投入 1 0 反 电容放电 切除 0 1 正 子模块旁路切除 0 1 反 子模块旁路2 IGBT 模块失效机理 IGBT失效是一个长期过程，是由微小的劣化形态在模块内部长期累积的结果，IGBT模块长期处于通断快速变换和电流电压剧烈波动的工作状态，内部形成一个“电-热-力”多物理场多耦合的复杂劣化环境。热场与应力场之间，温度升高导致各层材料之间热应力增强，同时应力增强造成内部结构损坏，影响器件散热；热场与电场之间，温度升高引起热阻升高，通态电压电流上升，加深功率损耗，同时导通电流增大产生焦耳热，导致内部温度升高，IGBT模块内“电-热-力”场如图3所示13。图 3 IGBT 模块内“电-热-力”场 Fig.3 Electro-thermo-mechanical field in IGBT module 根据封装结构的不同，IGBT可