在高壓直流輸電（HVDC）領域，模塊化多電平變換器（MMC）因其低諧波畸變、高效率及良好的可擴展性，已成為電壓源型換流器（VSC-HVDC）系統(tǒng)的主流拓撲。尤其在海上風電并網(wǎng)、孤島供電等弱電網(wǎng)場景中，MMC支持有功與無功的獨立控制，具備黑啟動能力，系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方案。

當前主流大容量MMC工程廣泛采用英飛凌4.5kV壓接式IGBT（Press-Pack IGBT, PPI）及其配套續(xù)流二極管，典型型號如P2000DL45X168。該類器件采用全封閉陶瓷封裝，具備優(yōu)異的防爆與絕緣性能，適用于高可靠性要求的柔直工程。其雙側冷卻結構有效降低熱阻，提升散熱效率，可在相同體積下實現(xiàn)更高功率密度輸出。此外，PPI器件在失效后通常呈現(xiàn)短路模式，便于系統(tǒng)故障隔離與冗余設計，顯著增強系統(tǒng)魯棒性。

以半橋子模塊（Half-Bridge Submodule, HBSM）為例，每個單元由兩個壓接式IGBT和一個反并聯(lián)續(xù)流二極管構成。在正常運行時，子模塊通過開關狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出電容電壓或?qū)⑵渑月罚瑥亩铣呻A梯狀橋臂電壓。為應對直流側短路故障，傳統(tǒng)設計常在下管T2反并聯(lián)一個保護晶閘管（Thyristor），故障時觸發(fā)晶閘管將子模塊電容短路，強制電流轉移，實現(xiàn)快速閉鎖。此方案僅需單個晶閘管即可完成故障保護，控制邏輯簡單，已在多個柔直工程中驗證可行。

如圖1所示，采用PPI器件的HBSM共需三個主功率器件（兩IGBT + 一FWD或晶閘管）及四組獨立散熱器。盡管結構清晰、可靠性高，但隨著海上風電項目向±400kV及以上電壓等級發(fā)展，系統(tǒng)對子模塊級聯(lián)數(shù)量的需求急劇上升。以4.5kV器件為例，在±320kV MMC系統(tǒng)中，每相需串聯(lián)數(shù)百個子模塊，導致閥塔體積龐大、重量增加，對海上換流平臺的空間布局與結構承重提出嚴峻挑戰(zhàn)。

圖1

此外，大量子模塊帶來更高的維護復雜度與備件成本。雖然PPI器件本身具備較高可靠性，但系統(tǒng)級冗余設計仍需額外預留10%~15%的冗余模塊，進一步加劇空間與成本壓力。同時，雙側冷卻系統(tǒng)對安裝精度要求極高，若壓力分布不均，易引發(fā)局部過熱，影響長期運行穩(wěn)定性。

基于4.5kV壓接式器件的MMC-HVDC方案在技術成熟度與運行可靠性方面優(yōu)勢明顯，但在高電壓、大容量應用場景下，尤其面向深遠海風電集成，亟需通過器件升級（如6.5kV PPI）、拓撲優(yōu)化（如全橋/鉗位雙星子模塊）或混合直流斷路器協(xié)同設計，以降低模塊數(shù)量、提升功率密度，實現(xiàn)經(jīng)濟性與可靠性的平衡。未來，器件集成化與系統(tǒng)緊湊化將成為海上柔直技術發(fā)展的關鍵方向。

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