CN103138618A - 适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块 - Google Patents

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刘继权
鲁丽娟
彭冠炎
蔡田田
冯晓东
朱海华
张劲松
伦振坚
谷新梅
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Abstract

本发明的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块包括四个晶体管、四个二极管、两个电容，所述四个晶体管相互串联，分别为晶体管一T1、晶体管二T2、晶体管三T3、晶体管四T4，所述四个二极管分别为二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4，所述四个二极管分别与相对应的晶体管反并联，所述两个电容分别为电容一C1、电容二C2，电容一C1的正极并联接于晶体管一T1的集电极，电容C1的负极接于晶体管二T2的发射极，电容二C2的正极接于晶体管三T3的集电极，电容二C2的负极接于晶体管四T4的发射极。在实现与一般MMC同样的功能时，本发明的MMC中新型功率单元模块数量仅为一般MMC结构的一半，且结构简单、紧凑，成本更加低廉。

Description

适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块
技术领域
本发明涉及电力电子换流器领域，特别是适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，高电压、大容量已经成为电力电子技术的重要发展方向，高电压、大容量的多电平换流器有着多种结构，其中MMC（ModularMultilevel Converter）结构具备开关频率低、开关损耗小、等效开关频率高等优点，得到了广泛的使用。
一般的MMC结构采用的模块只能输出两种电平，功率单元模块数量多，造成模块与模块之间以及模块与上级控制保护之间的连接点较多，导致现场调试耗时长，同时导致成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、紧凑的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块。
为了实现本发明的目的，采取的技术方案是：
一种适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，它包括四个晶体管、四个二极管、两个电容，所述四个晶体管相互串联，分别为晶体管一T1、晶体管二T2、晶体管三T3、晶体管四T4，所述四个二极管分别为二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4，所述四个二极管分别与相对应的晶体管反并联，所述两个电容分别为电容一C1、电容二C2，电容一C1的正极并联接于晶体管一T1的集电极，电容C1的负极接于晶体管二T2的发射极，电容二C2的正极接于晶体管三T3的集电极，电容二C2的负极接于晶体管四T4的发射极，晶体管一T1的发射极与晶体管三T3的发射极为功率的输出端口。
在实现与一般MMC同样的功能时，本发明的MMC中新型功率单元模块数量仅为一般MMC结构的一半，且结构简单、紧凑，成本更加低廉。
下面对技术方案进一步说明：
在其中一个实施例中，所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或者电子注入增强栅晶体管IEGT。绝缘栅双极型晶体管IGBT和电子注入增强栅晶体管IEGT均可作为开关器件。
在其中一个实施例中，所述四个晶体管参数相同。四个晶体管参数相同能使每个晶体管承受相同的电压，保证四个晶体管能同时以全压状态工作，提高了晶体管的利用率。
在其中一个实施例中，所述四个二极管参数相同。二极管参数相同能使每个二极管承受相同的电压，保证二极管能同时在全压状态下工作，提高了利用率。
在其中一个实施例中，所述两个电容参数相同。相同参数的电容，能使每个电容承受相同的电压，保证了电容能同时在全压状态下工作，提高了利用率。
在其中一个实施例中，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块有至少一种工作状态。
在其中一个实施例中，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块有四种工作状态。通过触发控制各个晶体管的导通状态，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块能够具有四种工作状态，第一种工作状态为晶体管一T1、晶体管四T4导通，晶体管二T2、晶体管三T3截止；第二种工作状态为晶体管一T1、晶体管三T3导通，晶体管二T2、晶体管四T4截止；第三种工作状态为晶体管二T2、晶体管四T4导通，晶体管一T1、晶体管三T3截止；第四种工作状态为晶体管二T2、晶体管三T3导通，晶体管一T1、晶体管四T4截止。
在其中一个实施例中，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块输出至少一种电平。
在其中一个实施例中，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块输出三种电平。适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块在四种工作状态下，能输出三种电平。
本发明的优点是：
在实现与一般MMC同样的功能时，本发明的MMC中新型功率单元模块数量仅为一般MMC结构的一半，且结构简单、紧凑，成本更加低廉。
本发明的MMC新型功率单元模块的开关器件均能以全压状态工作，能工作于四种工作状态，输出三种电平。
附图说明
图1是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块；
图2是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态一的电流流向图一；
图3是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态一的电流流向图二；
图4是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态二的电流流向图一；
图5是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态二的电流流向图二；
图6是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态三的电流流向图一；
图7是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态三的电流流向图二；
图8是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态四的电流流向图一；
图9是本发明提供的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块工作状态四的电流流向图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：
参阅1-9，在本发明的实施例中，一种适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块包括四个晶体管、四个二极管、两个电容，所述四个晶体管相互串联，分别为晶体管一T1、晶体管二T2、晶体管三T3、晶体管四T4，所述四个二极管分别为二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4，所述四个二极管分别与相对应的晶体管反并联，所述两个电容分别为电容一C1、电容二C2，电容一C1的正极并联接于晶体管一T1的集电极，电容C1的负极接于晶体管二T2的发射极，电容二C2的正极接于晶体管三T3的集电极，电容二C2的负极接于晶体管四T4的发射极，晶体管一T1的发射极与晶体管三T3的发射极为功率的输出端口。本发明的MMC中新型功率单元模块数量仅为一般MMC结构的一半，并且能实现与一般MMC同样的功能，这种设计，结构简单、紧凑，成本更加低廉。
所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或者电子注入增强栅晶体管IEGT。绝缘栅双极型晶体管IGBT和电子注入增强栅晶体管IEGT均可作为开关器件。
所述四个晶体管参数相同。四个晶体管参数相同能使每个晶体管承受相同的电压，保证四个晶体管能同时以全压状态工作，提高了晶体管的利用率。
所述四个二极管参数相同。二极管参数相同能使每个二极管承受相同的电压，保证二极管能同时在全压状态下工作，提高了利用率。
所述两个电容参数相同。相同参数的电容，能使每个电容承受相同的电压，保证了电容能同时在全压状态下工作，提高了利用率。
适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块具有四种（至少一种）工作状态。通过触发控制各个晶体管的导通状态，适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块能够具有四种工作状态，第一种工作状态为晶体管一T1、晶体管四T4导通，晶体管二T2、晶体管三T3截止；第二种工作状态为晶体管一T1、晶体管三T3导通，晶体管二T2、晶体管四T4截止；第三种工作状态为晶体管二T2、晶体管四T4导通，晶体管一T1、晶体管三T3截止；第四种工作状态为晶体管二T2、晶体管三T3导通，晶体管一T1、晶体管四T4截止。
适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块输出三种（至少一种）电平。适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块在四种工作状态下，能输出三种电平。
本发明适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块可以通过触发控制晶体管一T1、晶体管二T2、晶体管三T3、晶体管四T4的导通状态，使该功率模块具备四种工作状态。
在工作状态一时，晶体管一T1、晶体管四T4导通，晶体管二T2、晶体管三T3截止，晶体管二T2承受电容一C1的电压，晶体管三T3承受电容二C2的电压。当iSM＜0时，电流流向图如图2所示，电流通过晶体管四T4、电容二C2、电容一C1、晶体管一T1形成通路，功率输出单元的电压USM为电容一C1与电容二C2的电压之和UC1+UC2，电容一C1、电容二C2处于放电状态；当iSM＞0时，电流流向如图3所示，电流通过二极管二D2、电容一C1、电容二C2、二极管四D4形成通路，功率输出单元的电压USM为电容一C1与电容二C2的电压之和UC1+UC2电容一C1、电容二C2处于充电状态。
在工作状态二时，晶体管一T1、晶体管三T3导通，晶体管二T2、晶体管四T4截止，晶体管二T2承受电容一C1的电压，晶体管四T4承受电容二C2的电压。当iSM＜0时，电流流向如图4所示，电流通过二极管三D3、电容一C1、晶体管一T1形成通路，功率输出单元的电压USM为电容一C1的电压UC1，电容一C1处于放电状态，电容二C2处于旁路状态；当iSM＞0时，电流流向如图5所示，电流通过二极管一D1、电容一C1、晶体管三T3形成通路，功率单元输出的电压USM为电容一C1的电压UC1，电容一C1处于充电状态，电容二C2处于旁路状态。
在工作状态三时，晶体管二T2、晶体管四T4导通，晶体管一T1、晶体管三T3截止，晶体管一T1承受电容一C1的电压，晶体管三承受电容三C3的电压。当iSM＜0时，电流流向如图6所示，电流通过晶体管四T4、电容二C2、二极管二D2形成通路，功率输出单元的电压USM为电容二C2的电压UC2，电容二C2处于放电状态，电容一C1处于旁路状态；当iSM＞0时，电流流向如图7所示，电流通过晶体管二T2、电容二C2、二极管四D4形成通路，功率输出单元的电压USM为电容二C2的电压UC2，电容二C2处于充电状态，电容一C1处于旁路状态。
在工作状态四时，晶体管二T2、晶体管三T3导通，晶体管一T1、晶体管四T4截止，晶体管一T1承受电容一C1的电压，晶体管四T4承受电容二C2的电压。当iSM＜0时，电流流向如图8所示，电流通过二极管三D3、二极管二D2形成通路，功率输出单元的电压USM为0，电容一C1、电容二C2均处于旁路状态；当iSM＞0时，电流流向如图9所示，电流通过晶体管二T2、晶体管T3形成通路，功率输出单元的电压USM为0，电容一C1、电容二C2均处于旁路状态。上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：它包括四个晶体管、四个二极管、两个电容，所述四个晶体管相互串联，分别为晶体管一T1、晶体管二T2、晶体管三T3、晶体管四T4，所述四个二极管分别为二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4，所述四个二极管分别与相对应的晶体管反并联，所述两个电容分别为电容一C1、电容二C2，电容一C1的正极并联接于晶体管一T1的集电极，电容C1的负极接于晶体管二T2的发射极，电容二C2的正极接于晶体管三T3的集电极，电容二C2的负极接于晶体管四T4的发射极，晶体管一T1的发射极与晶体管三T3的发射极为功率的输出端口。
2.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或者电子注入增强栅晶体管IEGT。
3.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：所述四个晶体管参数相同。
4.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：所述四个二极管参数相同。
5.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：所述两个电容参数相同。
6.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：有至少一种工作状态。
7.根据权利要求6所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：有四种工作状态。
8.根据权利要求6或者7所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：输出至少一种电平。
9.根据权利要求8所述的适用于模块化多电平换流器的新型功率单元模块，其特征在于：输出三种电平。
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