CN104617803B - 多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、mmc拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑，包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，第一IGBT元件和第二IGBT元件，右支路包括2个SiC‑MOSFET元件，第一SiC‑MOSFET元件和第二SiC‑MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC‑MOSFET元件和第二SiC‑MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC‑MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC‑MOSFET元件之间的公共点。本发明采用IGBT与SiC‑MOSFET混合全桥子模块，打破了由于Si材料带来的开关频率的限制，全面提升MMC‑HVDC系统的开关频率。

Description

多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑
技术领域
本发明涉及一种多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑，具体涉及一种多电平变流器子模块及采用其制作的单相全桥逆变电路、MMC(模块化多电平换流器)拓扑，属电力电子领域。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel Converter，MMC)具有有功功率和无功功率独立控制、输出电压电平数多(谐波含量低)、输出电压波形好、开关频率低、高度模块化、易于扩展、冗余控制等优点，是近年来国内外学术界与工业界研究的热点。MMC已经在风电并网、远距离大容量电力输送等场合得到成功应用，未来将在可再生能源并网、交流系统异步互连、高压直流输电(high voltage direCt Current，HVDC)、多端直流输电等领域得到更为广泛的应用。
图1为传统的全桥子模块功率单元，当采用SPWM调制(如图2所示)时，其工作原理是电路左面支路上、下桥臂IGBT元件轮流导通，其开关频率为调制正弦波频率；右面支路上、下桥臂IGBT元件也是轮流导通，其开关频率为载波频率。由此可以看出两个支路分别工作在不同的频率环境下，右臂元件的开关频率明显受到由于Si材料带来的限制，存在如下缺点：
1、电压高，功率大，开关频率低，通常低于10kHz。
2、传统基于Si的功率器件开关损耗较大。
3、整个系统的体积较大，无源元件庞大，系统成本较高。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种基于SiC功率器件的多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑的设计方案，全面提升MMC-HVDC系统的开关频率，降低开关损耗和有效提高系统效率、减小系统体积。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
多电平变流器子模块，包括包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，第一IGBT元件和第二IGBT元件，右支路包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC-MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。
采用多电平变流器子模块制作的逆变电路，其特征是包括电阻和电抗器，电阻和电抗器相串联，电阻另一端连接第一IGBT元件和第二IGBT元件之间的公共点，电抗器另一端连接第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。
采用多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，它由六个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接的多电平变流器子模块与一个电抗器串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。
本发明所述左支路的第一、第二IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，打破了由于Si材料带来的开关频率的限制，全面提升MMC-HVDC系统的开关频率。
2、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，降低了子模块开关损耗，从而提高了MMC-HVDC系统效率。
3、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，充分考虑了经济性。
4、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，系统实现高频化，电容电压纹波、输出谐波分量变小，整个系统(包括滤波装置)的电抗器、电容相对降低了很多，利于大大减小变流器系统的体积。
附图说明
图1是现有技术的全桥子模块单元的结构示意图。
图2是SPWM调制的波形图。
图3是本发明所述多电平变流器子模块的结构示意图。
图4是本发明所述多电平变流器子模块制作的逆变电路的结构示意图。
图5是多电平变流器子模块制作的MMC拓扑的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
实施例1：
参见图3所示的多电平变流器子模块，采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块结构设计，包括左支路Z、右支路Y、电容C，左支路Z、右支路Y、电容C三者相并联，左支路Z包括2个IGBT元件，第一IGBT元件1和第二IGBT元件2，右支路Y包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4，第一IGBT元件1、第二IGBT元件2、第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4依次桥接，即：第一IGBT元件1的发射极连接第二IGBT元件2的集电极，第二IGBT元件2的发射极连接第二SiC-MOSFET元件4的源极，第二SiC-MOSFET元件4的漏极连接第一SiC-MOSFET元件3的源极，第一SiC-MOSFET元件3的漏极连接第一IGBT元件1的集电极。电容C的正极连接第一IGBT元件1和第一SiC-MOSFET元件3之间的公共点O，电容的负极连接第二IGBT元件2和第二SiC-MOSFET元件4之间的公共点O’。
本发明所述左支路Z开关元件采用传统的IGBT，右支路Y开关元件则采用新型SiC-MOSFET。IGBT的开关频率为调制波正弦波频率；SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。
由于SiC器件总体来说具有高额定电压、低损耗和高开关速度等特点，SiC-MOSFET的动态性能比传统IGBT要好,即SiC器件相比于基于Si材料的功率器件具有更加优良的开关特性。它能将现有Si器件的开关频率提升数倍，同时开关损耗并没有增加。
实施例2：
参见图4所示：采用多电平变流器子模块制作的逆变电路，采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块结构设计，包括左支路Z、右支路Y、电容C、电阻R和电抗器G，左支路Z、右支路Y、电容C三者相并联，左支路Z包括2个IGBT元件，第一IGBT元件1和第二IGBT元件2，右支路Y包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4，第一IGBT元件1、第二IGBT元件2、第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4依次桥接，即：第一IGBT元件1的发射极连接第二IGBT元件2的集电极，第二IGBT元件2的发射极连接第二SiC-MOSFET元件4的源极，第二SiC-MOSFET元件4的漏极连接第一SiC-MOSFET元件3的源极，第一SiC-MOSFET元件3的漏极连接第一IGBT元件1的集电极。电容C的正极连接第一IGBT元件1和第一SiC-MOSFET元件3之间的公共点O，电容的负极连接第二IGBT元件2和第二SiC-MOSFET元件4之间的公共点O’。电阻R和电抗器G相串联，电阻R另一端连接第一IGBT元件1和第二IGBT元件之间的公共点A，电抗器另一端连接第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点B。
本发明所述左支路Z开关元件采用传统的IGBT，右支路Y开关元件则采用新型SiC-MOSFET。IGBT的开关频率为调制波正弦波频率；SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。假设电路中调制波正弦波的频率为f，载波三角波频率为fc，由于右支路Y采用了SiC-MOSFET开关元件，相比于传统载波频率大概在10kHz的情况，该电路中的载波频率可以提升至20k～50kHz左右。同时，SiC器件具有优良的高频特性，其开关损耗非常小，甚至低于低频工作的Si功率器件，开关频率的提高并不会带来开关损耗的增加。载波频率的提高，可以降低总谐波畸变量，电流更加平滑，噪音减小，同时频率比K＝fc/f变大。
实施例3：
如图5所示，采用多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，它由六个桥臂5构成，每个桥臂5由若干个相互连接的多电平变流器子模块SM与一个电抗器L串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。多电平变流器子模块SM的结构如图3所示，该结构采用三相六支路结构，每个桥臂5由一定数量子模块级联而成，同时配置一个电抗器L以抑制环流和故障电流上升率。由IGBT与SiC-MOSFET混合组成的多电平变流器子模块可以看成一个小型功率变换器，各单元的开关频率的提高必然能使总体MMC工作在高频化的环境。同时，SiC器件具有优良的高频特性，它的开关损耗非常小，甚至低于低频工作的Si功率器件，这样便可以进一步减小系统损耗，同时采用SiC器件的系统散热要求并没有提高甚至还可能降低。与单相全桥逆变电路类似，开关频率的提高，可以降低总谐波畸变量(THD)，电流更加平滑，噪音减小。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.多电平变流器子模块，包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，分别是第一IGBT元件和第二IGBT元件，其特征在于：右支路包括2个SiC-MOSFET元件，分别是第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC-MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点；IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。
2.多电平变流器子模块制作的逆变电路，其特征是:包括电阻、电抗器及权利要求1所述的多电平变流器子模块，电阻和电抗器相串联，电阻另一端连接第一IGBT元件和第二IGBT元件之间的公共点，电抗器另一端连接第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。
3.根据权利要求2所述的多电平变流器子模块制作的逆变电路，其特征在于：IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。
4.多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，其特征是：包括权利要求1所述的多电平变流器子模块，采用多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，它由六个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接的多电平变流器子模块与一个电抗器串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。
5.根据权利要求4所述的多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，其特征在于：IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。
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