在電壓源型高壓直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)中，提升功率密度是降低換流站占地與建設(shè)成本的核心目標(biāo)。采用更高電壓等級(jí)的功率器件是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)最直接有效的技術(shù)路徑。將子模塊（SM）所用IGBT從傳統(tǒng)的4.5kV升級(jí)至6.5kV，可將單個(gè)子模塊的額定直流電壓提升至約3.2kV，顯著減少模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量。以±500kV/2GW MMC系統(tǒng)為例，相比4.5kV方案，6.5kV器件可使每相串聯(lián)子模塊數(shù)減少近30%，大幅壓縮閥塔體積、降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與系統(tǒng)損耗。

英飛凌最新推出的FZ1000R65KE4 6.5kV IGBT模塊，采用IHV A封裝（190mm × 140mm），專為高可靠性HVDC應(yīng)用設(shè)計(jì)。該模塊基于溝槽柵場(chǎng)截止IGBT4芯片技術(shù)，相較于前代FZ750R65KE3，VCE(sat)顯著降低，導(dǎo)通損耗下降約15%。通過優(yōu)化DBC基板布局與內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)，其連續(xù)電流輸出能力提升33%，最高工作結(jié)溫由125°C升至135°C，增強(qiáng)了過載與暫態(tài)工況下的運(yùn)行裕度。

在絕緣與可靠性方面，F(xiàn)Z1000R65KE4滿足10.4kV AC/60s增強(qiáng)絕緣要求，CTI值大于600，適用于高海拔或高污染環(huán)境。模塊采用AlSiC底板與AlN陶瓷襯底，熱導(dǎo)率高且熱膨脹系數(shù)匹配良好，顯著提升功率循環(huán)（PC）與熱循環(huán)（TC）壽命，適用于長(zhǎng)期頻繁變工況運(yùn)行的柔直工程。

如圖1所示，在半橋子模塊拓?fù)渲校瑑蓚€(gè)FZ1000R65KE4模塊以面對(duì)面方式安裝于雙面散熱器之間，實(shí)現(xiàn)單側(cè)底板冷卻。該布局兼顧散熱效率與故障防護(hù)：一旦IGBT發(fā)生短路失效，模塊封裝破裂產(chǎn)生的等離子體被限制在金屬散熱器與防護(hù)罩之間，防止飛濺引發(fā)連鎖故障。因此，模塊必須整體置于絕緣防護(hù)罩內(nèi)，確保系統(tǒng)安全性。

圖1

值得注意的是，焊接式IGBT模塊內(nèi)置的續(xù)流二極管（FWD）抗浪涌電流能力有限，難以承受直流側(cè)短路時(shí)的瞬時(shí)大電流沖擊。為此，需外加保護(hù)晶閘管Tp并聯(lián)于下管IGBT兩端。故障發(fā)生時(shí)，觸發(fā)Tp導(dǎo)通，強(qiáng)制子模塊電容短路，旁路故障電流，避免FWD過應(yīng)力損壞。英飛凌C3100N65T122晶閘管專為此場(chǎng)景開發(fā)，具備6.5kV阻斷電壓、低通態(tài)壓降（<2.8V）及高I2t耐量，確保在極端故障下可靠動(dòng)作。

總之，基于6.5kV IGBT模塊的MMC方案通過提升器件電壓等級(jí)，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊湊化與高效化。FZ1000R65KE4結(jié)合高性能保護(hù)晶閘管C3100N65T122，構(gòu)成高可靠子模塊單元，適用于±500kV及以上等級(jí)的大容量柔直工程。未來，隨著器件封裝技術(shù)進(jìn)步與系統(tǒng)集成優(yōu)化，更高電壓等級(jí)的模塊化設(shè)計(jì)將進(jìn)一步推動(dòng)海上風(fēng)電與遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可行性提升。

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