CN206432914U - 一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构 - Google Patents

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张韬
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Abstract

本实用新型公开了一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括半桥逆变电路和电容C1，所述半桥逆变电路包括上半桥电路和下半桥电路，所述上半桥电路与下半桥电路连接，所述电容C1的一端与上半桥电路连接，所述电容C1的另一端与下半桥电路连接，所述上半桥电路包括上半桥开关管和晶体管MOSFET1，所述上半桥开关管与晶体管MOSFET1并联，所述下半桥电路包括下半桥开关管和晶体管MOSFET2，所述下半桥开关管与晶体管MOSFET2并联；本实用新型能够有效降低多电平换流器的总开关损耗。

Description

一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构
技术领域
本实用新型涉及电力系统输配电技术领域,具体涉及一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构。
背景技术
西门子公司提出的模块化多电平换流器(MMC)，采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此具有良好的应用前景。
通常，模块化多电平换流器子模块由两个开关管组成一个逆变半桥的结构，另外包括子模块储能电容器。但是现有技术中由于模块化多电平换流器中子模块个数较多，因此产生的总开关损耗相对较大。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，本模块化多电平换流器子模块拓扑结构能够有效降低多电平换流器的总开关损耗。
为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：
一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括半桥逆变电路和电容C1，所述半桥逆变电路包括上半桥电路和下半桥电路，所述上半桥电路与下半桥电路连接，所述电容C1的一端与上半桥电路连接，所述电容C1的另一端与下半桥电路连接，所述上半桥电路包括上半桥开关管和晶体管MOSFET1，所述上半桥开关管与晶体管MOSFET1并联，所述下半桥电路包括下半桥开关管和晶体管MOSFET2，所述下半桥开关管与晶体管MOSFET2并联。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述上半桥开关管为由晶体管IGBT1和与晶体管IGBT1反并联的二极管D1组成，所述下半桥开关管为由晶体管IGBT2和与晶体管IGBT2反并联的二极管D2组成。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述晶体管IGBT1的集电极分别与晶体管MOSFET1的漏极、二极管D1的阴极和电容C1的一端连接，所述晶体管IGBT1的发射极分别与晶体管MOSFET1的源极、二极管D1的阳极、晶体管IGBT2的集电极、晶体管MOSFET2的漏极和二极管D2的阴极连接，所述晶体管IGBT2的发射极分别与晶体管MOSFET2的源极、二极管D2的阳极和电容C1的另一端连接。
作为本实用新型进一步改进的技术方案，还包括IGBT1驱动器、IGBT2驱动器、MOSFET1驱动器和MOSFET2驱动器，所述IGBT1驱动器与晶体管IGBT1连接，所述IGBT2驱动器与晶体管IGBT2连接，MOSFET1驱动器与晶体管MOSFET1连接，MOSFET2驱动器与晶体管MOSFET2连接。
上半桥电路在开态时，晶体管MOSFET1和晶体管IGBT1同时传导，由于晶体管IGBT1的导通电阻小，开态压降小，因而传导大部分的电流，而晶体管MOSFET1只传导小部分的电流。然后IGBT1驱动器控制晶体管IGBT1先关断,负载电流被转移到晶体管MOSFET1中；虽然晶体管IGBT1仍有尾巴电流，但是由于晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1并联传导，晶体管IGBT1的终端电压保持在很低的值；因而晶体管IGBT1的关断的损耗大大降低了；经过一小段时间延迟后，MOSFET1驱动器控制晶体管MOSFET1也关断。晶体管IGBT1实现了零电流关断软开关模式。同理下半桥电路在开态时，晶体管IGBT2实现了零电流关断软开关模式；因此本实用新型有效的降低了模块化多电平换流器子模块的开关损耗，从而能够有效降低模块化多电平换流器的总开关损耗。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的晶体管IGBT1电流示意图、晶体管MOSFET1电流示意图和晶体管IGBT1电压示意图。
图3为含有本实用新型的子模块拓扑结构的模块化多电平换流器的结构示意图。
具体实施方式
下面根据图1和图2对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：
参见图1，一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括半桥逆变电路和电容C1，所述半桥逆变电路包括上半桥电路和下半桥电路，所述上半桥电路与下半桥电路连接，所述电容C1的一端与上半桥电路连接，所述电容C1的另一端与下半桥电路连接，所述上半桥电路包括上半桥开关管和晶体管MOSFET1，所述上半桥开关管与晶体管MOSFET1并联，所述下半桥电路包括下半桥开关管和晶体管MOSFET2，所述下半桥开关管与晶体管MOSFET2并联。
本实施例中，所述上半桥开关管为由晶体管IGBT1和与晶体管IGBT1反并联的二极管D1组成，所述下半桥开关管为由晶体管IGBT2和与晶体管IGBT2反并联的二极管D2组成。
本实施例中，所述晶体管IGBT1的集电极分别与晶体管MOSFET1的漏极、二极管D1的阴极和电容C1的一端连接，所述晶体管IGBT1的发射极分别与晶体管MOSFET1的源极、二极管D1的阳极、晶体管IGBT2的集电极、晶体管MOSFET2的漏极和二极管D2的阴极连接，所述晶体管IGBT2的发射极分别与晶体管MOSFET2的源极、二极管D2的阳极和电容C1的另一端连接。
本实施例中，还包括IGBT1驱动器、IGBT2驱动器、MOSFET1驱动器和MOSFET2驱动器，所述IGBT1驱动器与晶体管IGBT1连接，所述IGBT2驱动器与晶体管IGBT2连接，MOSFET1驱动器与晶体管MOSFET1连接，MOSFET2驱动器与晶体管MOSFET2连接。
本实施例中，晶体管MOSFET1和晶体管MOSFET2均为金属氧化物半导体场效应晶体管，晶体管IGBT1和晶体管IGBT2均为绝缘栅双极型晶体管，电容C1为储能电容器。
需要在此说明的是，上半桥开关管中的晶体管IGBT1与其并联的晶体管MOSFET1共用一个二极管D1；下半桥开关管中的晶体管IGBT2与其并联的晶体管MOSFET2共用一个二极管D2。
具体地，上半桥开关管中的晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1并联起来。在开态时，晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1同时传导，由于晶体管IGBT1的导通电阻小，开态压降小，因而传导大部分的电流，而晶体管MOSFET1只传导小部分的电流。然后晶体管IGBT1先关断,负载电流被转移到晶体管MOSFET1中。虽然晶体管IGBT1仍有尾巴电流，但是由于晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1并联传导，晶体管IGBT1的终端电压保持在很低的值。因而晶体管IGBT1的关断损耗大大降低了。经过一小段时间延迟后，晶体管MOSFET1也关断。晶体管IGBT1实现了零电流关断软开关模式。
具体地，下半桥开关管中的晶体管IGBT2和晶体管MOSFET2并联起来。在开态时，晶体管IGBT2和晶体管MOSFET2同时传导，由于晶体管IGBT2的导通电阻小，开态压降小，因而传导大部分的电流，而晶体管MOSFET2只传导小部分的电流。然后晶体管IGBT2先关断,负载电流被转移到晶体管MOSFET2中，虽然晶体管IGBT2仍有尾巴电流，但是由于晶体管IGBT2和晶体管MOSFET2并联传导，晶体管IGBT2的终端电压保持在很低的值。因而晶体管IGBT2的关断损耗大大降低了。经过一小段时间延迟后，晶体管MOSFET2也关断。晶体管IGBT2实现了零电流关断软开关模式。
需要在此说明的是，晶体管MOSFET1的开关状态是由MOSFET1驱动器独立驱动控制的，晶体管MOSFET2的开关状态是由MOSFET2驱动器独立驱动控制的，晶体管IGBT1的开关状态是由IGBT1驱动器独立驱动控制的，晶体管IGBT2的开关状态是由IGBT2驱动器独立驱动控制的。MOSFET1驱动器和IGBT1驱动器使晶体管MOSFET1和晶体管IGBT1同时导通，而晶体管MOSFET1在晶体管IGBT1关断之后延迟一小段时间后再关断。MOSFET2驱动器和IGBT2驱动器使晶体管MOSFET2和晶体管IGBT2同时导通，而晶体管MOSFET2在晶体管IGBT2关断之后延迟一小段时间后再关断。
参见图2，本实用新型的实施例根据晶体管IGBT1与晶体管MOSFET1关断时间的不同可以定义不同的运行状态；当交流电压Usm的电压为正向时，上半桥电路导通，下半桥电路断路:
状态1：图2表示的T0～T1时刻运行状态；
具体地，在T0时刻，IGBT1驱动器驱动晶体管IGBT1, MOSFET1驱动器驱动晶体管MOSFET1,晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1同时被导通, 由于晶体管IGBT1的导通电阻小,开态压降小,因而传导大部分的电流，而晶体管MOSFET1只传导一小部分的电流。
状态2：图2表示的T1～T2时刻运行状态；
具体地，在T1时刻，晶体管MOSFET1保持开通而晶体管IGBT1关断，晶体管IGBT1的电流IIGBT开始下降，晶体管MOSFET1的电流IMOSFET上升，经过一段时间的关断，晶体管IGBT1的电流IIGBT变得很小，晶体管MOSFET1的电流IMOSFET几乎上升到等于总电流，对晶体管IGBT1而言，由于晶体管MOSFET1开通，晶体管IGBT1是零电压无损关断。
状态3：图2表示的T2时刻运行状态；
具体地，在T2时刻，晶体管MOSFET1关断，晶体管IGBT1的两端电压UIGBT开始上升，晶体管IGBT1的电压UIGBT此时等于电容C1电压UC，如果驱动足够的话，晶体管MOSFET1的关断损耗可以忽略。晶体管MOSFET1和晶体管IGBT1均维持关断直到另一个开关周期开始。
晶体管IGBT2与晶体管MOSFET2关断时间的不同也可以定义不同的运行状态，当交流电压Usm的电压为反向时，上半桥电路断路，下半桥电路导通，下半桥电路开始工作，下半桥电路中的晶体管MOSFET2和晶体管IGBT2的运行状态同理上半桥电路中的晶体管MOSFET1和晶体管IGBT1的运行状态。从晶体管IGBT1和晶体管MOSFET1的运行状态和晶体管IGBT2与晶体管MOSFET2的整体运行状态可以看出，本实施例有效的降低了模块化多电平换流器子模块的开关损耗。
参见图3，图3是模块化多电平换流器的结构，其中每个子模块SM1到SMN都由图1所示的模块化多电平换流器子模块拓扑结构组成，本实用新型的子模块拓扑结构有效的降低了模块化多电平换流器子模块的开关损耗，因此图3的模块化多电平换流器的总开关损耗也会大大降低。
本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于：包括半桥逆变电路和电容C1，所述半桥逆变电路包括上半桥电路和下半桥电路，所述上半桥电路与下半桥电路连接，所述电容C1的一端与上半桥电路连接，所述电容C1的另一端与下半桥电路连接，所述上半桥电路包括上半桥开关管和晶体管MOSFET1，所述上半桥开关管与晶体管MOSFET1并联，所述下半桥电路包括下半桥开关管和晶体管MOSFET2，所述下半桥开关管与晶体管MOSFET2并联。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于：所述上半桥开关管为由晶体管IGBT1和与晶体管IGBT1反并联的二极管D1组成，所述下半桥开关管为由晶体管IGBT2和与晶体管IGBT2反并联的二极管D2组成。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于：所述晶体管IGBT1的集电极分别与晶体管MOSFET1的漏极、二极管D1的阴极和电容C1的一端连接，所述晶体管IGBT1的发射极分别与晶体管MOSFET1的源极、二极管D1的阳极、晶体管IGBT2的集电极、晶体管MOSFET2的漏极和二极管D2的阴极连接，所述晶体管IGBT2的发射极分别与晶体管MOSFET2的源极、二极管D2的阳极和电容C1的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于：还包括IGBT1驱动器、IGBT2驱动器、MOSFET1驱动器和MOSFET2驱动器，所述IGBT1驱动器与晶体管IGBT1连接，所述IGBT2驱动器与晶体管IGBT2连接，MOSFET1驱动器与晶体管MOSFET1连接，MOSFET2驱动器与晶体管MOSFET2连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108631633A (zh) * 2018-05-30 2018-10-09 上海海事大学 一种基于mmc的混合电容电压型双子模块串联拓扑结构
CN109067300A (zh) * 2018-09-19 2018-12-21 苏州艾思控科技有限公司 一种电压自均衡多电平结构的电机驱动系统

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