基于4.5kV压接器件的MMC-HVDC设计挑战

在高压直流输电（HVDC）领域，模块化多电平变换器（MMC）因其低谐波畸变、高效率及良好的可扩展性，已成为电压源型换流器（VSC-HVDC）系统的主流拓扑。尤其在海上风电并网、孤岛供电等弱电网场景中，MMC支持有功与无功的独立控制，具备黑启动能力，系统灵活性和稳定性显著优于传统方案。

当前主流大容量MMC工程广泛采用英飞凌4.5kV压接式IGBT（Press-Pack IGBT, PPI）及其配套续流二极管，典型型号如P2000DL45X168。该类器件采用全封闭陶瓷封装，具备优异的防爆与绝缘性能，适用于高可靠性要求的柔直工程。其双侧冷却结构有效降低热阻，提升散热效率，可在相同体积下实现更高功率密度输出。此外，PPI器件在失效后通常呈现短路模式，便于系统故障隔离与冗余设计，显著增强系统鲁棒性。

以半桥子模块（Half-Bridge Submodule, HBSM）为例，每个单元由两个压接式IGBT和一个反并联续流二极管构成。在正常运行时，子模块通过开关状态调节输出电容电压或将其旁路，从而合成阶梯状桥臂电压。为应对直流侧短路故障，传统设计常在下管T2反并联一个保护晶闸管（Thyristor），故障时触发晶闸管将子模块电容短路，强制电流转移，实现快速闭锁。此方案仅需单个晶闸管即可完成故障保护，控制逻辑简单，已在多个柔直工程中验证可行。

如图1所示，采用PPI器件的HBSM共需三个主功率器件（两IGBT + 一FWD或晶闸管）及四组独立散热器。尽管结构清晰、可靠性高，但随着海上风电项目向±400kV及以上电压等级发展，系统对子模块级联数量的需求急剧上升。以4.5kV器件为例，在±320kV MMC系统中，每相需串联数百个子模块，导致阀塔体积庞大、重量增加，对海上换流平台的空间布局与结构承重提出严峻挑战。

图1

此外，大量子模块带来更高的维护复杂度与备件成本。虽然PPI器件本身具备较高可靠性，但系统级冗余设计仍需额外预留10%~15%的冗余模块，进一步加剧空间与成本压力。同时，双侧冷却系统对安装精度要求极高，若压力分布不均，易引发局部过热，影响长期运行稳定性。

基于4.5kV压接式器件的MMC-HVDC方案在技术成熟度与运行可靠性方面优势明显，但在高电压、大容量应用场景下，尤其面向深远海风电集成，亟需通过器件升级（如6.5kV PPI）、拓扑优化（如全桥/钳位双星子模块）或混合直流断路器协同设计，以降低模块数量、提升功率密度，实现经济性与可靠性的平衡。未来，器件集成化与系统紧凑化将成为海上柔直技术发展的关键方向。

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