CN112953274A

CN112953274A - 功率模块及其控制方法

Info

Publication number: CN112953274A
Application number: CN201911173504.2A
Authority: CN
Inventors: 孟昭鹤; 李战龙; 汤明杰
Original assignee: Xinjiang Goldwind Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Xinjiang Goldwind Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-06-11

Abstract

提供一种功率模块及其控制方法，第一功率组件的一端连接到第一电容器的一端，第一功率组件的另一端连接到第二功率组件的一端，第二功率组件的另一端连接到第三功率组件的一端，第三功率组件的另一端连接到第四功率组件的一端，第四功率组件的另一端连接到第二电容器的一端，第二电容器的另一端连接到第一电容器的另一端，其中，第一电容器的另一端与第二电容器的另一端之间的中性点连接到第二功率组件的另一端，第一功率组件的另一端作为第一接线端子，第三功率组件的另一端作为第二接线端子。采用本发明示例性实施例的功率模块及其控制方法，能够减少功率模块中元件的使用数量，并降低功率模块成本。

Description

功率模块及其控制方法

技术领域

本发明总体说来涉及电力电子技术领域，更具体地讲，涉及一种功率模块及其控制方法。

背景技术

目前，MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)系统中的功率模块多采用两电平的拓扑结构，但是两电平功率模块存在以下问题：高压IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)及其驱动价格昂贵；若选用低电压等级的IGBT，单个元件的成本被降低，但是系统总的元件数量会增加，使得系统的结构和驱动控制板的总成本增加，导致系统总体成本与选用高压IGBT时的成本相比未降低多少。

针对上述问题，提出了一种三电平功率模块的拓扑结构，但是目前的三电平功率模块的拓扑结构存在着结构复杂、功率管数量多、控制难度大、绝缘设计要求高的问题。

发明内容

本发明的示例性实施例的目的在于提供一种功率模块及其控制方法，能够有效简化功率模块的拓扑结构。

在一个总体方面，提供一种功率模块，所述功率模块包括第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件、第一电容器和第二电容器，其中，第一功率组件的一端连接到第一电容器的一端，第一功率组件的另一端连接到第二功率组件的一端，第二功率组件的另一端连接到第三功率组件的一端，第三功率组件的另一端连接到第四功率组件的一端，第四功率组件的另一端连接到第二电容器的一端，第二电容器的另一端连接到第一电容器的另一端，其中，第一电容器的另一端与第二电容器的另一端之间的中性点连接到第二功率组件的所述另一端，第一功率组件的所述另一端作为第一接线端子，第三功率组件的所述另一端作为第二接线端子。

可选地，第一功率组件可包括第一晶体管和第一二极管，第二功率组件可包括第二晶体管和第二二极管，第三功率组件可包括第三晶体管和第三二极管，第四功率组件可包括第四晶体管和第四二极管，其中，其中，第一晶体管的集电极连接到第一电容器的所述一端，第一晶体管的发射极连接到第二晶体管的集电极，第一晶体管的栅极接收控制指令，以控制第一晶体管的导通和截止，第二晶体管的发射极连接到第三晶体管的集电极，第二晶体管的栅极接收控制指令，以控制第二晶体管的导通和截止，第三晶体管的发射极连接到第四晶体管的集电极，第三晶体管的栅极接收控制指令，以控制第三晶体管的导通和截止，第四晶体管的发射极连接到第二电容器的所述一端，第四晶体管的栅极接收控制指令，以控制第四晶体管的导通和截止，第一二极管的阴极连接到第一晶体管的集电极，第一二极管的阳极连接到第一晶体管的发射极，第二二极管的阴极连接到第二晶体管的集电极，第二二极管的阳极连接到第二晶体管的发射极，第三二极管的阴极连接到第三晶体管的集电极，第三二极管的阳极连接到第三晶体管的发射极，第四二极管的阴极连接到第四晶体管的集电极，第四二极管的阳极连接到第四晶体管的发射极。

可选地，所述功率模块可还包括散热器，所述散热器连接到第一电容器的另一端与第二电容器的另一端之间的中性点。

可选地，所述功率模块可还包括外壳，所述外壳包括前面板、背板和四个侧板，前面板、背板和四个侧板形成容置空间，其中，第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件、第一电容器和第二电容器置于所述容置空间内，第一接线端子和第二接线端子从所述外壳的前面板引出。

可选地，所述外壳可包括金属外壳，所述金属外壳连接到第一电容器的另一端与第二电容器的另一端之间的中性点。

在另一总体方面，提供一种上述功率模块的控制方法，所述控制方法包括：确定电流流经所述功率模块的电流方向；根据所确定的电流方向产生控制指令；控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下，以使所述功率模块提供预定电平的输出电压。

可选地，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤可包括：根据所产生的控制指令，通过控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件的工作状态，和/或控制电流路径，来使所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下。

可选地，所述电流方向可包括从第一接线端子流向第二接线端子的第一电流流向和从第二接线端子流向第一接线端子的第二电流流向，所述工作状态可包括导通状态和截止状态，所述控制指令可包括第一控制指令、第二控制指令、第三控制指令、第四控制指令，其中，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤可包括：在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第一控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第一工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第二控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件均处于截止状态，控制第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第二工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第三控制指令，控制第一功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十三工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第四控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十四工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第四控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十七工作模式下。

可选地，所述控制指令可还包括第五控制指令、第六控制指令、第七控制指令、第八控制指令，其中，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤可包括：在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第五控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第三工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第二控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件均处于截止状态，控制第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第五工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第六控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第二功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第七工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第七控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第八工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第七控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十一工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第八控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十五工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第三控制指令，控制第一功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十六工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第八控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十八工作模式下。

可选地，所述控制指令可还包括第九控制指令，其中，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤可包括：在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第一控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第四工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第五控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第六工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第九控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第九工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第六控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第二功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十工作模式下，和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第九控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十二工作模式下。

可选地，所述功率模块提供的输出电压可包括第一电平的输出电压、第二电平的输出电压、第三电平的输出电压，其中，在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第一电平的输出电压：第一工作模式、第二工作模式、第十三工作模式、第十四工作模式、第十七工作模式，在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第二电平的输出电压：第三工作模式、第五工作模式、第七工作模式、第八工作模式、第十一工作模式、第十五工作模式、第十六工作模式、第十八工作模式，在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第三电平的输出电压：第四工作模式、第六工作模式、第九工作模式、第十工作模式、第十二工作模式。

可选地，第一电容器的容值与第二电容器的容值相同，第一电容器的电压与第二电容器的电压相同，其中，第一电平的输出电压可包括两倍第一电容器的电压，第二电平的输出电压可包括第一电容器的电压，第三电平的输出电压可包括零值。

在另一总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的功率模块的控制方法。

在另一总体方面，提供模块化多电平换流器MMC系统，包括多个上述的功率模块，所述MMC系统为三相MMC系统、单相MMC系统或者半桥 MMC系统。

采用本发明示例性实施例的功率模块及其控制方法，能够减少功率模块中元件的使用数量，并降低功率模块成本。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。

图1示出根据本发明示例性实施例的功率模块的拓扑结构图；

图2示出根据本发明示例性实施例的功率模块的控制方法的流程图；

图3A至图3C示出根据本发明示例性实施例的功率模块在多种工作模式下的电路示意图；

图4示出根据本发明示例性实施例的图1所示的功率模块应用在三相 MMC系统中的示例图；

图5示出根据本发明示例性实施例的图1所示的功率模块应用在单相 MMC系统中的示例图；

图6示出根据本发明示例性实施例的图1所示的功率模块应用在半桥 MMC系统中的示例图。

具体实施方式

现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。

图1示出根据本发明示例性实施例的功率模块的拓扑结构图。

如图1所示，根据本发明示例性实施例的功率模块SM包括第一功率组件11、第二功率组件22、第三功率组件33、第四功率组件44、第一电容器 C1和第二电容器C2。

具体说来，第一功率组件11的一端连接到第一电容器C1的一端，第一功率组件11的另一端连接到第二功率组件22的一端，第二功率组件22的另一端连接到第三功率组件33的一端，第三功率组件33的另一端连接到第四功率组件44的一端，第四功率组件44的另一端连接到第二电容器C2的一端，第二电容器C2的另一端连接到第一电容器C1的另一端。这里，Udc为直流母线电压，第一电容器C1和第二电容器C2也可称为母线支撑电容。

第一电容器C1的另一端与第二电容器C2的另一端之间的中性点连接到第二功率组件22的另一端，第一功率组件11的另一端作为第一接线端子P，第三功率组件33的另一端作为第二接线端子N，这里，第一接线端子P和第二接线端子N即为功率模块SM的输出端。

在一优选示例中，第一功率组件11可包括第一晶体管T1和第一二极管 D1，第二功率组件22可包括第二晶体管T2和第二二极管D2，第三功率组件33可包括第三晶体管T3和第三二极管D3，第四功率组件44可包括第四晶体管T4和第四二极管D4。

例如，第一晶体管T1的第一端连接到第一电容器C1的一端，第一晶体管T1的第二端连接到第二晶体管T2的第一端，第一晶体管T1的控制端接收控制指令，以控制第一晶体管T1的导通和截止，第二晶体管T2的第二端连接到第三晶体管T3的第一端，第二晶体管T2的控制端接收控制指令，以控制第二晶体管T2的导通和截止，第三晶体管T3的第二端连接到第四晶体管T4的第一端，第三晶体管T3的控制端接收控制指令，以控制第三晶体管 T3的导通和截止，第四晶体管T4的第二端连接到第二电容器C2的一端，第四晶体管T4的控制端接收控制指令，以控制第四晶体管T4的导通和截止。

第一二极管D1的一端连接到第一晶体管T1的第一端，第一二极管D1 的另一端连接到第一晶体管T1的第二端，第二二极管D2的一端连接到第二晶体管T2的第一端，第二二极管D2的另一端连接到第二晶体管T2的第二端，第三二极管D3的一端连接到第三晶体管T3的第一端，第三二极管D3 的另一端连接到第三晶体管T3的第二端，第四二极管D4的一端连接到第四晶体管T4的第一端，第四二极管D4的另一端连接到第四晶体管T4的第二端。

在图1所示的功率模块SM的拓扑结构中，第一晶体管T1和第二晶体管 T2的母线支撑电容为第一电容器C1，第三晶体管T3和第四晶体管T4的母线支撑电容为第二电容器C2，第一电容器C1的容值与第二电容器C2的容值相同，第一电容器的耐压等级与第二电容器的耐压等级也相同，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4可选用耐压等级相同的晶体管。

作为示例，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4可包括但不限于IGBT。

在图1所示的示例中，以四个晶体管均为IGBT为例，第一晶体管T1 的第一端可为集电极，第一晶体管T1的第二端可为发射极，第一晶体管T1 的控制端可为栅极，此时，第一二极管D1的阴极连接到第一晶体管T1的集电极，第一二极管D1的阳极连接到第一晶体管T1的发射极。

第二晶体管T2的第一端可为集电极，第二晶体管T2的第二端可为发射极，第二晶体管T2的控制端可为栅极，此时，第二二极管D2的阴极连接到第二晶体管T2的集电极，第二二极管D2的阳极连接到第二晶体管T2的发射极。

第三晶体管T3的第一端可为集电极，第三晶体管T3的第二端可为发射极，第三晶体管T3的控制端可为栅极，此时，第三二极管D3的阴极连接到第三晶体管T3的集电极，第三二极管D3的阳极连接到第三晶体管T3的发射极。

第四晶体管T4的第一端可为集电极，第四晶体管T4的第二端可为发射极，第四晶体管T4的控制端可为栅极，此时，第四二极管D4的阴极连接到第四晶体管T4的集电极，第四二极管D4的阳极连接到第四晶体管T4的发射极。

应理解，上述所列举的第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4的类型和连接方式仅为示例，上述各晶体管也可以为其他类型的晶体管。

这里，可将采用上述连接方式的IGBT和二极管封装形成IGBT模块，也就是说，可将第一晶体管T1和第一二极管D1封装形成的第一IGBT模块确定为第一功率组件11，可将第二晶体管T2和第二二极管D2封装形成的第二IGBT模块确定为第二功率组件22，可将第三晶体管T3和第三二极管D3 封装形成的第三IGBT模块确定为第三功率组件33，可将第四晶体管T4和第四二极管D4封装形成的第四IGBT模块确定为第四功率组件44。

此外，还可以利用现有的各种封装方式将上述各功率组件和电容器封装为功率模块。

例如，根据本发明示例性实施例的功率模块SM可还包括外壳(图中未示出)，外壳可包括但不限于前面板、背板和四个侧板，前面板、背板和四个侧板形成容置空间。

在此情况下，第一功率组件11、第二功率组件22、第三功率组件33、第四功率组件44、第一电容器C1和第二电容器C2可被置于上述容置空间内，第一接线端子R和第二接线端子N从外壳的前面板引出，以便于从外部进行接线。

作为示例，功率模块SM的外壳可包括金属外壳和非金属外壳(如绝缘外壳)。针对功率模块SM的外壳为金属外壳的情况，该金属外壳可连接到第一电容器C1的另一端与第二电容器C2的另一端之间的中性点。

在一优选示例中，根据本发明示例性实施例的功率模块SM可还包括散热器(图中未示出)，这里，可利用现有的各种设置方式来在功率模块 SM中布置散热器。

例如，以各功率组件为IGBT模块为例，可以将各IGBT模块直接固定在散热器上，优选地，为了减少接触热阻，可以在散热器与IGBT模块之间涂一层导热硅脂。

除此之外，也可以将IGBT模块安装到印刷电路板(PCB，Printed circuit board)上，然后再将印刷电路板安装在散热器上。作为示例，散热器可以应根据使用条件、使用环境以及IGBT模块的参数进行匹配选择，以保证GBT 模块工作时对散热的要求。

应理解，上述所列举的IGBT模块与散热器之间的设置方式仅为示例，本发明不限于此，还可以采用其他方式来进行设置。

针对上述在功率模块SM中包括散热器的情况，由于散热器一般为金属材料制成，为此，可将散热器连接到第一电容器C1的另一端与第二电容器 C2的另一端之间的中性点，以作为电位参考点。

在本发明示例性实施例中，通过将第一电容器C1的另一端和第二电容器C2的另一端之间的中性点连接到散热器，使得整个功率模块SM的绝缘设计可以按照单个电容器的电压等级来设计，从而降低了功率模块SM的绝缘设计要求。

在本发明示例性实施例的功率模块SM的拓扑结构中，功率组件的数量仅有4个，且不需要额外的二极管。此外，传统的三电平功率模块一般是按照较高的电压等级(如两个电容器的电压之和)来进行绝缘设计，本发明示例性实施例中的功率模块SM的整体绝缘要求比传统的三电平功率模块结构降低一半。

图2示出根据本发明示例性实施例的功率模块的控制方法的流程图。

在本发明示例性实施例中，图2所示的控制方法是针对图1所示的功率模块SM的控制方法，但本发明不限于此，该控制方法也可以是针对其他拓扑结构的三电平功率模块的控制方法。

下面以功率模块为图1所示的功率模块SM的拓扑结构为例，结合图2 来介绍针对功率模块SM的具体控制过程。

参照图2，在步骤S10中，确定电流流经功率模块SM的电流方向。

作为示例，可根据电网电压的方向来确定电流流经功率模块SM的电流方向。

以图1所示为例，电流流经功率模块SM的电流方向可包括从第一接线端子P流向第二接线端子N的第一电流流向(从P到N)和从第二接线端子 N流向第一接线端子P的第二电流流向(从N到P)。

在步骤S20中，根据所确定的电流方向产生控制指令。

在步骤S30中，控制功率模块SM工作在与控制指令相应的工作模式下，以使功率模块SM提供预定电平的输出电压。

本发明示例性实施例中的功率模块SM能够提供三种电平的输出电压，包括第一电平的输出电压、第二电平的输出电压、第三电平的输出电压，因此，功率模块SM也可以称为三电平功率模块，在此情况下，功率模块SM 提供的预定电平的输出电压即为上述三种电平的输出电压之一。

在一优选示例中，控制功率模块SM工作在与控制指令相应的工作模式下的步骤可包括：根据所产生的控制指令，通过控制第一功率组件11、第二功率组件22、第三功率组件33、第四功率组件44的工作状态，和/或控制电流路径，来使功率模块SM工作在与控制指令相应的工作模式下。

这里，电流路径可指电流在功率模块SM中的流通路径。在本发明示例性实施例中，在确定出电流流经功率模块SM的电流方向之后，可以产生多种控制指令，根据不同的控制指令可以控制各功率组件的工作状态，从而改变电流在功率模块SM中的流通路径，使得功率模块SM工作在不同工作模式下，即，使得功率模块SM提供不同电平的输出电压。

这里，控制各功率组件的工作状态可指控制各功率组件中的晶体管的工作状态，各功率组件的工作状态(也可称为各晶体管的工作状态)包括导通状态和截止状态。

作为示例，所产生的控制指令可包括但不限于第一控制指令、第二控制指令、第三控制指令、第四控制指令、第五控制指令、第六控制指令、第七控制指令、第八控制指令、第九控制指令。

在本发明示例性实施例中，基于电流流经功率模块SM的电流方向以及上述九种控制指令，可以控制功率模块SM工作在18种工作模式下。下面参照图3A、图3B、图3C和表1来介绍针对功率模块SM的控制过程，在本示例中，假设各晶体管均为高电平导通、低电平截止。

图3A至图3C示出根据本发明示例性实施例的功率模块在多种工作模式下的电路示意图。表1示出根据本发明示例性实施例的功率模块在多种工作模式下的工作状态示意图。

表1

如图3A、图3B、图3C和表1所示，第一种情况，假设第一控制指令为 0000，此时，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管 T4的控制端均接收低电平控制指令，四个晶体管均处于截止状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块 SM工作在第一工作模式下(如图3A中的模式1所示)。

这里，第一电容器C1的容值与第二电容器C2的容值相同，相应地，第一电容器C1的电压与第二电容器C2的电压也相同，可表示为U_C。

当功率模块SM工作在第一工作模式下时，第一电容器C1和第二电容器C2均处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压(U_SM)为两倍第一电容器C1的电压2U_C，也可称为两倍第二电容器C2的电压(即，第一电平的输出电压)。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第四工作模式下(如图 3A中的模式4所示)。

当功率模块SM工作在第四工作模式下时，功率模块SM被旁路(即，被从线路中切出)，此时功率模块SM提供的输出电压为零值(即，第三电平的输出电压)。

第二种情况，假设第二控制指令为0001，此时，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3的控制端均接收低电平控制指令，上述三个晶体管均处于截止状态，第四晶体管T4的控制端接收高电平控制指令，第四晶体管T4处于导通状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块 SM工作在第二工作模式下(如图3A中的模式2所示)。

当功率模块SM工作在第二工作模式下时，第一电容器C1和第二电容器C2均处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为两倍第一电容器的电压2U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第四晶体管T4→第二电容器C2→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第五工作模式下(如图3A中的模式5所示)。

当功率模块SM工作在第五工作模式下时，第二电容器C2处于放电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第二电容器的电压U_C(即，第二电平的输出电压)。

第三种情况，假设第五控制指令为0010，此时，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第四晶体管T4的控制端均接收低电平控制指令，上述三个晶体管均处于截止状态，第三晶体管T3的控制端接收高电平控制指令，第三晶体管T3处于导通状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第三晶体管T3→第二接线端子N，功率模块SM工作在第三工作模式下(如图3A中的模式3所示)。

当功率模块SM工作在第三工作模式下时，第一电容器C1处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第一电容器的电压U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第六工作模式下(如图3A中的模式6所示)。

当功率模块SM工作在第六工作模式下时，功率模块SM被旁路，此时功率模块SM提供的输出电压为零值。

第四种情况，假设第六控制指令为0100，此时，第一晶体管T1、第三晶体管T3、第四晶体管T4的控制端均接收低电平控制指令，上述三个晶体管均处于截止状态，第二晶体管T2的控制端接收高电平控制指令，第二晶体管T2处于导通状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第二晶体管T2→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块SM工作在第七工作模式下(如图3B中的模式7所示)。

当功率模块SM工作在第七工作模式下时，第二电容器C2处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第二电容器C2的电压U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第十工作模式下(如图 3B中的模式10所示)。

当功率模块SM工作在第十工作模式下时，功率模块SM被旁路，此时功率模块SM提供的输出电压为零值。

第五种情况，假设第七控制指令为0101，此时，第一晶体管T1、第三晶体管T3的控制端均接收低电平控制指令，上述两个晶体管均处于截止状态，第二晶体管T2、第四晶体管T4的控制端均接收高电平控制指令，上述两个晶体管均处于导通状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第二晶体管T2→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块SM工作在第八工作模式下(如图3B中的模式8所示)。

当功率模块SM工作在第八工作模式下时，第二电容器C2处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第二电容器C2的电压U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第四晶体管T4→第二电容器C2→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第十一工作模式下(如图3B中的模式11所示)。

当功率模块SM工作在第十一工作模式下时，第二电容器C2处于放电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第二电容器C2的电压U_C。

第六种情况，假设第九控制指令为0110，此时，第一晶体管T1、第四晶体管T4的控制端均接收低电平控制指令，上述两个晶体管均处于截止状态，第二晶体管T2、第三晶体管T3的控制端均接收高电平控制指令，上述两个晶体管均处于导通状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第二晶体管T2→第三晶体管T3→第二接线端子N，功率模块SM工作在第九工作模式下(如图 3B中的模式9所示)。

当功率模块SM工作在第九工作模式下时，功率模块SM被旁路，此时功率模块SM提供的输出电压为零值。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第二二极管D2→第一接线端子P，功率模块SM工作在第十二工作模式下(如图3B中的模式12所示)。

当功率模块SM工作在第十二工作模式下时，功率模块SM被旁路，此时功率模块SM提供的输出电压为零值。

第七种情况，假设第三控制指令为1000，此时，第一晶体管T1的控制端接收高电平控制指令，第一晶体管T1处于导通状态，第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4的控制端均接收低电平控制指令，上述三个晶体管均处于截止状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块 SM工作在第十三工作模式下(如图3C中的模式13所示)。

当功率模块SM工作在第十三工作模式下时，第一电容器C1和第二电容器C2均处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为两倍第一电容器C1的电压2U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第一电容器C1→第一晶体管T1→第一接线端子P，功率模块SM工作在第十六工作模式下(如图3C中的模式16所示)。

当功率模块SM工作在第十六工作模式下时，第一电容器C1处于放电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第一电容器C1的电压U_C。

第八种情况，假设第四控制指令为1001，此时，第一晶体管T1、第四晶体管T4的控制端均接收高电平控制指令，上述两个晶体管均处于导通状态，第二晶体管T2、第三晶体管T3的控制端均接收低电平控制指令，上述两个晶体管均处于截止状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第二电容器C2→第四二极管D4→第二接线端子N，功率模块 SM工作在第十四工作模式下(如图3C中的模式14所示)。

当功率模块SM工作在第十四工作模式下时，第一电容器C1和第二电容器C2均处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为两倍第一电容器C1的电压2U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第四晶体管T4→第二电容器C2→第一电容器C1→第一晶体管T1→第一接线端子P，功率模块 SM工作在第十七工作模式下(如图3C中的模式17所示)。

当功率模块SM工作在第十七工作模式下时，第一电容器C1和第二电容器C2均处于放电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为两倍第一电容器C1的电压2U_C。

第九种情况，假设第八控制指令为1010，此时，第一晶体管T1、第三晶体管T3的控制端均接收高电平控制指令，上述两个晶体管均处于导通状态，第二晶体管T2、第四晶体管T4的控制端均接收低电平控制指令，上述两个晶体管均处于截止状态。

在一个示例中，如果所确定的电流方向为第一电流方向(从P到N)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第一接线端子P→第一二极管D1→第一电容器C1→第三晶体管T3→第二接线端子N，功率模块SM工作在第十五工作模式下(如图3C中的模式15所示)。

当功率模块SM工作在第十五工作模式下时，第一电容器C1处于充电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第一电容器C1的电压U_C。

在另一示例中，如果所确定的电流方向为第二电流方向(从N到P)，则电流在功率模块SM中的流通路径为：第二接线端子N→第三二极管D3→第一电容器C1→第一晶体管T1→第一接线端子P，功率模块SM工作在第十八工作模式下(如图3C中的模式18所示)。

当功率模块SM工作在第十八工作模式下时，第一电容器C1处于放电状态，此时功率模块SM提供的输出电压为第一电容器C1的电压U_C。

根据本发明的示例性实施例还提供一种三相MMC系统，该三相MMC 系统包括多个上述的功率模块SM。

图4示出根据本发明示例性实施例的图1所示的功率模块应用在三相 MMC系统中的示例图。

如图4所示，三相MMC系统包括三个功率模块串联组件，每个功率模块串联组件包括多个功率模块SM，每个功率模块SM之间串联连接，一个功率模块串联组件连接至一相交流电。

根据本发明的示例性实施例还提供一种单相MMC系统，该单相MMC 系统包括多个上述的功率模块SM。

图5示出根据本发明示例性实施例的图1所示的功率模块应用在单相 MMC系统中的示例图。

如图5所示，单相MMC系统包括两个功率模块串联组件，每个功率模块串联组件包括多个功率模块SM，每个功率模块SM之间串联连接，两个功率模块串联组件分别连接至零线和火线。

根据本发明的示例性实施例还提供一种半桥MMC系统，该半桥MMC 系统包括多个上述的功率模块SM。

如图6所示，单相MMC系统包括功率模块串联组件和电容串联支路，该功率模块串联组件包括多个功率模块SM，每个功率模块SM之间串联连接，该电容串联支路包括多个电容器，每个电容器之间串联连接，功率模块串联组件和电容串联支路分别连接至零线和火线。

根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述功率模块的控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

本发明示例性实施例的功率模块及其控制方法，相对于传统的三电平功率模块拓扑结构，减少了功率模块中元件的使用数量，降低了功率模块的成本和功率模块的绝缘设计要求，同时还降低了控制难度。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种功率模块，其特征在于，所述功率模块包括第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件、第一电容器和第二电容器，

其中，第一功率组件的一端连接到第一电容器的一端，第一功率组件的另一端连接到第二功率组件的一端，第二功率组件的另一端连接到第三功率组件的一端，第三功率组件的另一端连接到第四功率组件的一端，第四功率组件的另一端连接到第二电容器的一端，第二电容器的另一端连接到第一电容器的另一端，

其中，第一电容器的所述另一端与第二电容器的所述另一端之间的中性点连接到第二功率组件的所述另一端，第一功率组件的所述另一端作为第一接线端子，第三功率组件的所述另一端作为第二接线端子。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，第一功率组件包括第一晶体管和第一二极管，第二功率组件包括第二晶体管和第二二极管，第三功率组件包括第三晶体管和第三二极管，第四功率组件包括第四晶体管和第四二极管，

其中，第一晶体管的集电极连接到第一电容器的所述一端，第一晶体管的发射极连接到第二晶体管的集电极，第一晶体管的栅极接收控制指令，以控制第一晶体管的导通和截止，第二晶体管的发射极连接到第三晶体管的集电极，第二晶体管的栅极接收控制指令，以控制第二晶体管的导通和截止，第三晶体管的发射极连接到第四晶体管的集电极，第三晶体管的栅极接收控制指令，以控制第三晶体管的导通和截止，第四晶体管的发射极连接到第二电容器的所述一端，第四晶体管的栅极接收控制指令，以控制第四晶体管的导通和截止，

第一二极管的阴极连接到第一晶体管的集电极，第一二极管的阳极连接到第一晶体管的发射极，第二二极管的阴极连接到第二晶体管的集电极，第二二极管的阳极连接到第二晶体管的发射极，第三二极管的阴极连接到第三晶体管的集电极，第三二极管的阳极连接到第三晶体管的发射极，第四二极管的阴极连接到第四晶体管的集电极，第四二极管的阳极连接到第四晶体管的发射极。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括散热器，所述散热器连接到第一电容器的所述另一端与第二电容器的所述另一端之间的中性点。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括外壳，所述外壳包括前面板、背板和四个侧板，前面板、背板和四个侧板形成容置空间，

其中，第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件、第一电容器和第二电容器置于所述容置空间内，第一接线端子和第二接线端子从所述外壳的前面板引出。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述外壳包括金属外壳，所述金属外壳连接到第一电容器的所述另一端与第二电容器的所述另一端之间的中性点。

6.一种如权利要求1-5中的任意一项所述的功率模块的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定电流流经所述功率模块的电流方向；

根据所确定的电流方向产生控制指令；

控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下，以使所述功率模块提供预定电平的输出电压。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤包括：

根据所产生的控制指令，通过控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件的工作状态，和/或控制电流路径，来使所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述电流方向包括从第一接线端子流向第二接线端子的第一电流流向和从第二接线端子流向第一接线端子的第二电流流向，所述工作状态包括导通状态和截止状态，所述控制指令包括第一控制指令、第二控制指令、第三控制指令、第四控制指令，

其中，控制所述功率模块工作在与所述控制指令相应的工作模式下的步骤包括：

在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第一控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第一工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第二控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件均处于截止状态，控制第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第二工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第三控制指令，控制第一功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十三工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第四控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十四工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第四控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十七工作模式下。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制指令还包括第五控制指令、第六控制指令、第七控制指令、第八控制指令，

在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第五控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第三工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第二控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件均处于截止状态，控制第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第五工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第六控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第二功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第七工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第七控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第八工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第七控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十一工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第八控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十五工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第三控制指令，控制第一功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十六工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第八控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件处于导通状态，控制第二功率组件、第四功率组件处于截止状态，以使所述功率模块工作在第十八工作模式下。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制指令还包括第九控制指令，

在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第一控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，以使所述功率模块工作在第四工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第五控制指令，控制第一功率组件、第二功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第六工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第一电流方向时，响应于第九控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第九工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第六控制指令，控制第一功率组件、第三功率组件、第四功率组件均处于截止状态，控制第二功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十工作模式下，

和/或，在所确定的电流方向为第二电流方向时，响应于第九控制指令，控制第一功率组件、第四功率组件处于截止状态，控制第二功率组件、第三功率组件处于导通状态，以使所述功率模块工作在第十二工作模式下。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述功率模块提供的输出电压包括第一电平的输出电压、第二电平的输出电压、第三电平的输出电压，

其中，在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第一电平的输出电压：第一工作模式、第二工作模式、第十三工作模式、第十四工作模式、第十七工作模式，

在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第二电平的输出电压：第三工作模式、第五工作模式、第七工作模式、第八工作模式、第十一工作模式、第十五工作模式、第十六工作模式、第十八工作模式，

在以下各项工作模式下所述功率模块提供的输出电压为第三电平的输出电压：第四工作模式、第六工作模式、第九工作模式、第十工作模式、第十二工作模式。

12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，第一电容器的容值与第二电容器的容值相同，第一电容器的电压与第二电容器的电压相同，

其中，第一电平的输出电压包括两倍第一电容器的电压，第二电平的输出电压包括第一电容器的电压，第三电平的输出电压包括零值。

13.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求6至12中任意一项所述的功率模块的控制方法。

14.一种模块化多电平换流器MMC系统，其特征在于，包括多个如权利要求1-5中的任意一项所述的功率模块，所述MMC系统为三相MMC系统、单相MMC系统或者半桥MMC系统。