基于6.5kV IGBT的MMC高功率密度设计

在电压源型高压直流输电（VSC-HVDC）系统中，提升功率密度是降低换流站占地与建设成本的核心目标。采用更高电压等级的功率器件是实现该目标最直接有效的技术路径。将子模块（SM）所用IGBT从传统的4.5kV升级至6.5kV，可将单个子模块的额定直流电压提升至约3.2kV，显著减少模块级联数量。以±500kV/2GW MMC系统为例，相比4.5kV方案，6.5kV器件可使每相串联子模块数减少近30%，大幅压缩阀塔体积、降低结构复杂度与系统损耗。

英飞凌最新推出的FZ1000R65KE4 6.5kV IGBT模块，采用IHV A封装（190mm × 140mm），专为高可靠性HVDC应用设计。该模块基于沟槽栅场截止IGBT4芯片技术，相较于前代FZ750R65KE3，VCE(sat)显著降低，导通损耗下降约15%。通过优化DBC基板布局与内部互连结构，其连续电流输出能力提升33%，最高工作结温由125°C升至135°C，增强了过载与暂态工况下的运行裕度。

在绝缘与可靠性方面，FZ1000R65KE4满足10.4kV AC/60s增强绝缘要求，CTI值大于600，适用于高海拔或高污染环境。模块采用AlSiC底板与AlN陶瓷衬底，热导率高且热膨胀系数匹配良好，显著提升功率循环（PC）与热循环（TC）寿命，适用于长期频繁变工况运行的柔直工程。

如图1所示，在半桥子模块拓扑中，两个FZ1000R65KE4模块以面对面方式安装于双面散热器之间，实现单侧底板冷却。该布局兼顾散热效率与故障防护：一旦IGBT发生短路失效，模块封装破裂产生的等离子体被限制在金属散热器与防护罩之间，防止飞溅引发连锁故障。因此，模块必须整体置于绝缘防护罩内，确保系统安全性。

图1

值得注意的是，焊接式IGBT模块内置的续流二极管（FWD）抗浪涌电流能力有限，难以承受直流侧短路时的瞬时大电流冲击。为此，需外加保护晶闸管Tp并联于下管IGBT两端。故障发生时，触发Tp导通，强制子模块电容短路，旁路故障电流，避免FWD过应力损坏。英飞凌C3100N65T122晶闸管专为此场景开发，具备6.5kV阻断电压、低通态压降（<2.8V）及高I²t耐量，确保在极端故障下可靠动作。

总之，基于6.5kV IGBT模块的MMC方案通过提升器件电压等级，有效实现系统紧凑化与高效化。FZ1000R65KE4结合高性能保护晶闸管C3100N65T122，构成高可靠子模块单元，适用于±500kV及以上等级的大容量柔直工程。未来，随着器件封装技术进步与系统集成优化，更高电压等级的模块化设计将进一步推动海上风电与远距离输电系统的经济性与可行性提升。

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