CN111600498B

CN111600498B - 一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法

Info

Publication number: CN111600498B
Application number: CN202010385356.7A
Authority: CN
Inventors: 林磊; 殷天翔
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: CN111600498A

Abstract

本发明公开了一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式，以SiC MOSFET的沟道双向导通特性为基础，通过不断的调整电流阈值，使得两种工作模式在整个工作周期内自适应的进行转换，从而调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，实现MMC子模块器件的损耗最小化，该方法从器件控制角度出发，不改变换流器输出电能质量，利用SiC MOSFET沟道可双向导通电流的特性，在MMC输出波形不变的情况下实现子模块器件损耗的均衡，不会对MMC系统顶层控制造成影响；另外，该方法不需要增加额外的功率器件，适用于最基础的半桥子模块拓扑，不受拓扑的限制，可实现‑π/2至π/2的全功率因数范围内的损耗均衡，适用场景丰富。

Description

一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法

技术领域

本发明属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法。

背景技术

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)以其良好的模块性、灵活的可扩展性和良好的波形质量，在直流输电、电机驱动、可再生能源集成等方面有着广阔的应用前景。为适应复杂应用场景与环境的运行要求，MMC的效率、成本、对环境的适应能力要求逐步提高。当前MMC子模块中开关器件普遍采用Si基器件，然而传统Si基器件属于第一代器件，损耗较高，难以运行于125℃以上的高温环境，传输效率难以进一步提升的同时需要牺牲大量体积与重量解决散热问题。近年SiC器件的出现与发展成为解决这一问题的新机遇，相比于传统Si基器件，SiC器件具有大约10倍的电场强度、大约3倍的禁带宽度、大约3倍的热导率、大约2倍的饱和漂移速度，考虑到器件性能、成本、技术成熟度，SiC MOSFET是最适合MMC的SiC器件，未来将全面取代Si IGBT获得广泛应用。然而，由于MMC稳定性取决于子模块稳定性，而子模块稳定性取决于各器件稳定性，而器件损耗越大结温越高器件故障率越高寿命越低。MMC由于其结构特性，各器件之间的损耗是不均衡的，所以器件结温也不均，这给MMC散热设计带来了难度，且使得子模块寿命取决于结温最高的器件。因此，研究一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法具有重要的意义。

现有的MMC子模块器件损耗均衡方案均从改变系统控制角度出发，通过改变系统的调制策略(如改变瞬时切入子模块的个数)，或者加入额外晶闸管实现损耗的均衡，这样损耗的均衡会带来MMC换流器输出电能质量的改变或增加额外器件。还有一些方法通过全桥子模块拓扑0状态有两种电流通路来进行损耗均衡，但不适用于应用更为普遍的半桥子模块拓扑。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，用以解决现有方法由于会改变系统的调制策略而导致损耗均衡后影响MMC输出电能质量的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，包括以下步骤：

S1、根据MMC子模块的桥臂电流方向由SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道是否导通，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式；初始化电流阈值I_th；

S2、检测MMC传输电能的功率因数，基于该功率因数和电流阈值I_th，计算当前子模块中各器件的损耗，取最大值和最小值得到损耗差，判断损耗差是否达到器件损耗差的极小值；若达到，则保持现有工作模式，算法结束；否则，转至步骤S3；

S3、通过比较子模块下桥臂各器件的损耗相应调整电流阈值I_th的取值；

S4、判断子模块桥臂电流的绝对值与电流阈值I_th之间的大小，若子模块桥臂电流的绝对值小于等于电流阈值I_th，则使子模块工作于非同步整流模式，转至步骤S2；否则，则使子模块工作于同步整流模式，转至步骤S2。

进一步优选地，步骤S1中，若MMC子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道导通，则记子模块工作在同步整流模式下；若子模块的桥臂电流方向由源极至漏极时SiC MOSFET沟道未导通，则记MMC子模块工作在非同步整流模式下。

进一步优选地，基于功率因数和电流阈值I_th，通过对SiC MOSFET的导通压降与桥臂电流的乘积进行积分，得到MMC子模块各器件的损耗。

进一步优选地，MMC子模块工作在同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的漏极至源极时，或者子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极，且SiC MOSFET沟道压降小于其导通阈值电压时，SiC MOSFET的导通压降u_con＝R_dsi_sm，其中，R_ds为SiC MOSFET的沟道阻抗，i_sm为SiC MOSFET的沟道导通电流；否则，

其中，r_D为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阻抗，V_D0为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阈值电压；MMC子模块工作在非同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的漏极至源极时，SiC MOSFET的导通压降u_con＝R_dsi_sm；否则，u_con＝u_Don＝V_D0+r_Di_D，其中，u_Don为与SiC MOSFET反并联的二极管的压降，i_D为流经与SiC MOSFET反并联的二极管的电流大小。

进一步优选地，MMC子模块器件的损耗为：

其中，P_{con_T1}为MMC子模块上桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D1}为与MMC子模块上桥臂SiC MOSFET反并联的二极管的损耗，P_{con_T2}为MMC子模块下桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D2}为与MMC子模块下桥臂SiC MOSFET反并联的二极管的损耗，g₁和g₂分别为MMC子模块上、下桥臂SiC MOSFETT的栅极导通信号，u_con为各SiC MOSFET的导通压降，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别表示为：

其中，I_m为MMC输出交流相电流峰值，m为MMC传输电压调制比，

为功率因数。

进一步优选地，上述步骤S3中，若子模块下桥臂SiC MOSFET的损耗大于与其反并联二极管的损耗，则使电流阈值I_th加上预设步长λ；否则，使电流阈值I_th减去预设步长λ。

进一步优选地，本发明所提供的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，适用于基于SiC MOSFET的MMC。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出的一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，以SiC MOSFET的沟道双向导通特性为基础，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式，并通过不断的调整电流阈值Imth使得两种工作模式在整个工作周期内自适应的进行转换，从而调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，进而实现MMC子模块器件的损耗最小化，实现器件结温均衡，该方法从器件控制角度出发，不改变换流器输出电能质量，利用SiCMOSFET沟道可双向导通电流的特性，在MMC输出波形不变的情况下实现子模块器件损耗的均衡，在损耗均衡后不会影响MMC输出的电能质量。

2、本发明所提出的一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，不需要增加额外的功率器件，适用于最基础的半桥子模块拓扑，因此不受拓扑所限制，另外该方案不会造成MMC输出的变化，不会对MMC系统顶层控制造成影响；并且可实现-π/2至π/2的全功率因数范围内的损耗均衡，适用场景丰富。

附图说明

图1为本发明提供的一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法流程图；

图2为本发明提供的MMC子模块分别工作在同步整流模式和非同步整流模式下电流为SiC MOSFET的源极到漏极时的通流情况；

图3为本发明提供的基于SiC MOSFET的MMC拓扑；

图4为本发明提供的基于SiC MOSFET的MMC运行时桥臂电压、电流波形示意图；

图5为本发明提供的MMC子模块完全工作于非同步整流模式时MMC子模块各器件的损耗分布图；

图6为本发明提供的MMC子模块完全工作于同步整流模式时，MMC子模块各器件的损耗分布图；

图7为本发明提供的控制切换同步整流模式与非同步整流模式工作状态的流程图；

图8为采用本发明所提供的方法进行损耗均衡后MMC子模块器件随功率因数变化的示意图；

图9为采用本发明所提出的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法进行均衡损耗前后的损耗分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，如图1所示，包括以下步骤：

具体的，如图2所示，由于在同步整流模式下，SiC MOSFET沟道在任意电流方向均导通，电流由漏极(D极)至源极(S极)时仅SiC MOSFET沟道通流；电流由源极(S极)至漏极(D极)，且MMC子模块的电流较小时依旧提供正向栅极压降开通，使得电流可以在SiC MOSFET沟道内流通。当SiC MOSFET沟道压降超过与其反并联的二极管的导通阈值电压时，SiCMOSFET沟道与二极管并联导通共同通流。而在非同步整流模式下，SiC MOSFET沟道仅在电流为D极至S极时通流；电流由S极至D极时，沟道关闭，使得电流只能通过与SiC MOSFET反并联的二极管流通。基于以上特性，本发明根据MMC子模块的桥臂电流方向由SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道是否导通，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式。若MMC子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道导通，则记子模块工作在同步整流模式下；若子模块的桥臂电流方向由源极至漏极时SiC MOSFET沟道未导通，则记MMC子模块工作在非同步整流模式下。

S2、检测MMC传输电能的功率因数，基于该功率因数和电流阈值I_th，计算当前子模块中各器件的损耗，并计算各器件损耗，取最大值和最小值之差得到损耗差，判断损耗差是否达到器件损耗差的极小值；若达到，则保持现有工作模式，算法结束；否则，转至步骤S3；

具体的，如图3所示为基于SiC MOSFET的MMC拓扑，从图中可以看出MMC的子模块SM₁，SM₂，......,SM_N均由上下两个桥臂构成，其中，上桥臂由SiC MOSFET T1和与其反并联的二极管D1构成，下桥臂由SiC MOSFET T2和与其反并联的二极管D2构成。基于功率因数和电流阈值I_th，通过对各时刻SiC MOSFET的导通压降与桥臂电流的乘积进行积分，得到MMC子模块器件T1、D1、T2、D2的损耗。具体的，首先计算SiC MOSFET的导通压降，具体的，MMC子模块工作在同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的漏极至源极时，或者子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极，且SiC MOSFET沟道压降小于其导通阈值电压时，SiC MOSFET的导通压降u_con＝R_dsi_sm，其中，R_ds为SiC MOSFET的沟道阻抗，i_sm为SiC MOSFET的沟道导通电流；否则，SiC MOSFET的导通压降

其中，r_D为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阻抗，V_D0为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阈值电压。MMC子模块工作在非同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的漏极至源极时，SiC MOSFET的导通压u_con＝R_dsi_sm；否则，SiC MOSFET的导通压降u_con＝u_Don＝V_D0+r_Di_D，其中，u_Don为与SiC MOSFET反并联的二极管的压降，i_D为流经与SiC MOSFET反并联的二极管的电流大小。然后计算MMC子模块器件的损耗，如图4所示为基于SiC MOSFET的MMC运行时桥臂电压、电流波形示意图，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为子模块桥臂电流波形i_ap与i_ap＝I_th和i_ap＝-I_th的交汇点，用于区分一个工作周期内MMC的工作模式，在本实施例中，当子模块桥臂电流的绝对小于等于电流阈值I_th时，使得子模块工作于非同步整流模式；当子模块桥臂电流的绝对值大于电流阈值I_th时，使得子模块工作于同步整流模式。以此计算得到MMC子模块器件的损耗为：

其中，P_{con_T1}为MMC子模块上桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D1}为与MMC子模块上桥臂SiC MOSFET反并联的二极管的损耗，P_{con_T2}为MMC子模块下桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D2}为与MMC子模块下桥臂SiC MOSFET反并联的二极管的损耗，g₁和g₂分别为MMC子模块上、下桥臂SiC MOSFETT的栅极导通信号，u_con为各SiC MOSFET的导通压降，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别可表示为：

其中，m为MMC传输电压调制比，

为功率因数。

进一步地，当子模块中器件损耗差达到极小值时，损耗较为均衡，这里损耗差是指子模块内所有器件的损耗的最大值和最小值之间的差，而通常情况下，损耗差值最大的器件为T2和D2，故T2和D2间的损耗差决定了子模块器件损耗差的极小值。通过控制使得T2与D2的损耗相等，实现子模块器件损耗差的降低，得到器件损耗差的极小值。

S3、通过比较子模块下桥臂各器件的损耗大小，相应的调整电流阈值I_th的取值；

具体的，MMC子模块完全工作于非同步整流模式时，MMC子模块各器件的损耗分布如图5所示，其中，横坐标表示功率因数，纵坐标表示损耗；MMC子模块完全工作于同步整流模式时，MMC子模块各器件的损耗分布如图6所示，其中，横坐标表示功率因数，纵坐标表示损耗。两种工作模式下器件损耗分布特性相异，根据两种模式下损耗差值，通过调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，可以实现MMC子模块器件损耗分布的最小化。具体的，若子模块下桥臂SiC MOSFET T2的损耗大于与其反并联二极管D2的损耗，则使电流阈值I_th加上预设步长λ；否则，使电流阈值I_th减去预设步长λ。本实施例中，λ取值为0.01A，器件损耗差的极小值为0。

具体的，如图7所示，通过不断的调整电流阈值I_th来调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，进而实现MMC子模块器件损耗分布的最小化，损耗均衡后，MMC子模块器件损耗随功率因数变化如图8所示，其中，横坐标表示功率因数，纵坐标表示损耗；从图中可以看出，MMC子模块的器件T1、D1、T2、D2的损耗均处于较低水平。

进一步地，在基于SiC MOSFET的MMC中，采用本发明所提出的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法进行均衡损耗前后的损耗分布，如图9所示，其中，横坐标表示功率因数，纵坐标表示损耗；从图中可以看出，在进行均衡损耗之前，基于SiC MOSFET的MMC会一直工作在同步整流模式或非同步整流模式，采用本发明所提出的方法进行均衡损耗后使得两种工作模式在整个工作周期内自适应的进行转换，可以实现全功率因数范围内的损耗差值降低，并进一步实现器件结温均衡，且该方法从器件控制角度出发，不改变换流器输出电能质量，利用SiC MOSFET沟道可双向导通电流的特性，在MMC输出波形不变的情况下实现子模块器件损耗的均衡，在损耗均衡后不会影响MMC输出的电能质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、检测MMC传输电能的功率因数，基于该功率因数和电流阈值I_th，计算当前子模块中各器件的损耗，并计算各器件损耗的最大值和最小值之差，得到损耗差，判断损耗差是否达到器件损耗差的极小值；若达到，则保持现有工作模式，算法结束；否则，转至步骤S3；

2.根据权利要求1所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，所述步骤S1中，若MMC子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道导通，则记子模块工作在同步整流模式下；若子模块的桥臂电流方向由源极至漏极时SiCMOSFET沟道未导通，则记MMC子模块工作在非同步整流模式下。

3.根据权利要求1所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，基于功率因数和电流阈值I_th，通过对各时刻SiC MOSFET的导通压降与桥臂电流的乘积进行积分，得到MMC子模块各器件的损耗。

4.根据权利要求3所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，MMC子模块工作在同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的漏极至源极时，或者子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的源极至漏极，且SiC MOSFET沟道压降小于其导通阈值电压时，SiC MOSFET的导通压降u_con＝R_dsi_sm，其中，R_ds为SiC MOSFET的沟道阻抗，i_sm为SiC MOSFET的沟道导通电流；否则，SiC MOSFET的导通压降

其中，r_D为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阻抗，V_D0为与SiC MOSFET反并联的二极管的导通阈值电压；

MMC子模块工作在非同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiC MOSFET的漏极至源极时，SiC MOSFET的导通压降u_con＝R_dsi_sm；否则，SiC MOSFET的导通压降u_con＝u_Don＝V_D0+r_Di_D，其中，u_Don为与SiC MOSFET反并联的二极管的压降，i_D为流经与SiC MOSFET反并联的二极管的电流大小。

5.根据权利要求4所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，所述MMC子模块器件的损耗为：

其中，P_{con_T1}为MMC子模块上桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D1}为与MMC子模块上桥臂SiCMOSFET反并联的二极管的损耗，P_{con_T2}为MMC子模块下桥臂SiC MOSFET的损耗，P_{con_D2}为与MMC子模块下桥臂SiC MOSFET反并联的二极管的损耗，g₁和g₂分别为MMC子模块上、下桥臂SiC MOSFETT的栅极导通信号，u_con为各SiC MOSFET的导通压降，θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别表示为：

其中，I_m为MMC输出交流相电流峰值，m为MMC传输电压调制比，

为功率因数。

6.根据权利要求1所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，所述步骤S3中，若子模块下桥臂SiC MOSFET的损耗大于与其反并联二极管的损耗，则使电流阈值I_th加上预设步长λ；否则，使电流阈值I_th减去预设步长λ。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，适用于基于SiC MOSFET的MMC。