CN106921307A - 一种柔性直流换流器子模块拓扑结构 - Google Patents

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贺之渊
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马巍巍
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Abstract

一种柔性直流换流器子模块拓扑结构，包括：半桥结构和MOSFET器件；所述半桥结构包括第一开关模块、第二开关模块和第一电容；所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连；所述第一开关模块和第二开关模块均由一个IGBT和一个二极管反并联组成，所述半桥结构的每个IGBT并联一个MOSFET器件；MOSFET器件与IGBT器件的并联应用使得在开通、通流以及关断阶段时都能发挥两种器件各自的优势并取长补短，加入并联的MOSFET后整个过程与传统模块化多电平换流器子模块相比可大幅度降低开通关断时间的同时降低开关损耗。

Description

一种柔性直流换流器子模块拓扑结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统，具体涉及一种柔性直流换流器子模块拓扑结构。
背景技术
基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅二极晶体管)器件电压源换流器的高压直流输电技术的柔性直流输电，是目前世界上可控性最高、适应性最好的输电技术，为解决电网面临的诸多难题提供了一种全新的技术手段。随着IGBT的发展以及可再生能源并网、城市增容扩建等需求的不断扩大，基于IGBT的模块化多电平柔性直流输电技术近年来在电压等级以及输送容量等方面都有了长足的发展，并逐渐成为传统输电方式外的一种有力补充。
换流器是柔性直流输电系统的核心部件，而IGBT器件又是构成柔性直流换流器的关键器件之一。其直接决定了换流器的输送能力、运行损耗及造价等重要性能指标。IGBT引入了电导调制作用，使得其相较于其他种类的功率器件具有较大的通流能力，因此特别适用于柔性直流输电等大功率应用场合。同时，IGBT具有较低的通态压降，受电压、电流等方面因素的影响相对较小，因此在高压柔性直流输电类高电压大电流领域具有十分明显的优势。然而由于少子的储存等原因，IGBT的开通及关断所需的时间都相对较长，因此造成的开通关断损耗也相对较大。尤其在关断过程中会产生电流拖尾现象，造成的损耗远比其他功率器件要大。
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,电子金属氧化物半导体场效应晶体管)技术特性与IGBT相反，具有较小的开关时间以及较低的开关损耗。然而其在承受额定电压时导通电阻逐渐增大，在高压大功率应用场合下随着通态电流的增大，通态损耗与电流有效值的平方成正比，因此造成其通态损耗较IGBT器件有了明显的增加。
为克服上述缺陷，本发明提出了一种基于MOSFET与IGBT并联应用于柔性直流换流器子模块的拓扑结构，旨在对现有拓扑结构进行优化以提高柔性直流换流器效率。
发明内容
本发明提供一种柔性直流换流器子模块拓扑结构，可解决IGBT关断过程中拖尾电流造成较大关断损耗和较长关断时间等问题。
本发明提供一种柔性直流换流器的拓扑结构，由半桥结构和MOSFET并联组成；所述半桥结构包括第一开关模块、第二开关模块和第一电容；所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连。
进一步的，所述第一开关模块和第二开关模块均由一个IGBT和一个二极管反并联组成。
进一步的，半桥结构的每个IGBT并联一个MOSFET。
进一步的，所述拓扑结构的控制策略如下：
在器件开通阶段，给IGBT和MOSFET同时施加开通信号，由于MOSFET开通速度远大于IGBT，因此其首先开通，且开通损耗较小。在此阶段期间,导通电流将全部流过MOSFET，IGBT可实现“零电压、零电流”的软开通过程。
在正常通流状态下，由于MOSFET的导通电阻具有正的温度系数，因此随着其通态电流的逐渐增大，MOSFET的导通电阻将逐渐升高，导通电流将逐渐转向通流能力更强的IGBT器件，并由IGBT承担主要通流任务从而充分利用IGBT低通态损耗的优势。
在关断过程中，为MOSFET施加一个几百微秒的滞后关断驱动信号，因此IGBT将首先分断并实现零电压关断，直至其电流为零时MOSFET再关断。此方法可解决IGBT关断过程中拖尾电流造成较大关断损耗和较长关断时间等问题。
在全部开通关断过程中，MOSFET先于IGBT开通并在其关断之后关断从而实现“软开关”的功能，充分利用了MOSFET开关损耗低、速度快，IGBT通态损耗低等优势，同时增加了器件的使用寿命。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1.本发明提供的柔性直流换流器子模块拓扑结构在开关过程中IGBT可实现“零电压、零电流”的软开关过程，因此能够解决其关断过程中拖尾电流造成较大关断损耗和较长关断时间等问题，全部开关过程中IGBT器件几乎没有损耗。
2.该拓扑结构在降低开关损耗的同时由于“软开通”功能的实践中可以提高IGBT器件的使用寿命。
3.MOSFET器件与IGBT器件的并联应用使得在开通、通流以及关断阶段时都能发挥两种器件各自的优势并取长补短，加入并联的MOSFET后整个过程与传统模块化多电平换流器子模块相比可大幅度降低开通关断时间及开关损耗。
4.同时由于开关损耗的降低，也将使得IGBT器件拓宽了高频应用场合下的使用前景。
附图说明
图1为本发明一种柔性直流换流器子模块拓扑结构的示意图，
图2为采用本发明提供的拓扑结构的模块化多电平柔性直流换流器拓扑示意图；
图3为本发明柔性直流换流器子模块拓扑结构和传统子模块拓扑结构各器件电流与时间关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如下图1所示为本发明提供的一种基于MOSFET与IGBT并联应用于柔性直流换流器的子模块拓扑结构，将传统半桥式子模块拓扑结构进行优化，为每个IGBT器件并联一个MOSFET器件。
如图2所示为含有IGBT与MOSFET并联子模块结构的模块化多电平柔性直流换流器拓扑示意图，所述换流器包括三个相单元，每一个相单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构，每相上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同；上下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂的连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连，下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
模块化多电平柔性直流换流器桥臂内部所有子模块均应用本发明提供的IGBT与MOSFET并联的拓扑结构。
含有IGBT与MOSFET并联子模块结构的模块化多电平柔性直流换流器，换流器级控制各子模块投入切出等策略与优化前无区别。子模块级控制内部IGBT和MOSFET器件时，在器件开通阶段，给IGBT和MOSFET同时施加开通信号，由于MOSFET开通速度远大于IGBT，因此其首先开通，且开通损耗较小。在此阶段期间,导通电流将全部流过MOSFET，IGBT可实现“零电压、零电流”的软开通过程。在正常通流状态下，由于MOSFET的导通电阻具有正的温度系数，因此随着其通态电流的逐渐增大，MOSFET的导通电阻将逐渐升高，导通电流将逐渐转向通流能力更强的IGBT器件，并由其承担主要通流任务从而充分利用IGBT低通态损耗的优势。在关断过程中，为MOSFET施加一个几百微秒的滞后关断驱动信号，因此IGBT将首先分断并实现零电压关断，直至其电流为零时再关断MOSFET。该拓扑结构可解决IGBT关断过程中拖尾电流造成较大关断损耗和较长关断时间等问题。在全部开通关断过程中，MOSFET先于IGBT开通并在其关断之后关断从而实现“软开关”的功能，充分利用了MOSFET开关损耗低、速度快，IGBT通态损耗低等优势，同时增加了器件的使用寿命。
如图3所示为优化前后各器件电流与时间关系示意图。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解；本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性直流换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括：半桥结构和MOSFET器件；所述半桥结构包括第一开关模块、第二开关模块和第一电容；所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连。
2.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述第一开关模块和第二开关模块均由一个IGBT和一个二极管反并联组成。
3.如权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述半桥结构的每个IGBT并联一个MOSFET器件。
4.如权利要求1所述拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构开通过程中的控制方法如下：
同时给IGBT和MOSFET施加开通信号，MOSFET首先开通，导通电流全部流过MOSFET，IGBT实现零电压开通。
5.如权利要求1所述拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构静态导通状态下的控制方法如下：
MOSFET通态电流的逐渐增大，其导通电阻将逐渐升高，导通电流逐渐转向IGBT，IGBT承担主要通流任务。
6.如权利要求1所述拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构在关断过程中的控制方法如下：
给MOSFET施加滞后关断驱动信号，IGBT先实现零电压关断，直至IGBT电流为零时MOSFET再关断。
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