CN207638573U - 模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器。模块化多电平换流器子模块，包括：第一半桥功率半导体器件、第二半桥功率半导体器件、第一半桥驱动器、第二半桥驱动器、母线支撑电容和旁路开关。本实用新型的模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器，通过使用耐压规格较低的功率半导体器件，能够减少成本，并且没有增加旁路开关和母线支撑电容，也能够减少成本，并且能够减少体积及占地面积。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路电子技术领域，特别是涉及一种模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称为MMC)中的一个桥臂由多个MMC子模块依次串联组成。
MMC子模块的规格由其所使用的功率半导体器件的耐压规格所决定。
如果MMC子模块所使用的功率半导体器件的耐压规格较高，那么MMC的一个桥臂上的MMC子模块的数量较少，控制较简单。但是，耐压规格较高的功率半导体器件较昂贵，成本较高，造成MMC子模块的成本较高，进而使MMC成本较高。
如果MMC子模块所使用的功率半导体器件的耐压规格较低，那么MMC的一个桥臂上的MMC子模块的数量较多，控制较复杂。并且旁路开关和母线支撑电容的数量也较多，造成MMC的一个桥臂上的MMC子模块成本较高，体积较大，占地面积较大，进而使MMC成本较高，体积较大，占地面积较大。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器，能够减少成本、体积及占地面积。
一方面，本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器子模块，包括：第一半桥功率半导体器件、第二半桥功率半导体器件、第一半桥驱动器、第二半桥驱动器、母线支撑电容和旁路开关，其中，
第一半桥功率半导体器件和第二半桥功率半导体器件分别包含串联的两个功率半导体器件；
第一半桥驱动器与第一半桥功率半导体器件中的每个功率半导体器件连接；
第二半桥驱动器与第二半桥功率半导体器件中的每个功率半导体器件连接；
第一半桥功率半导体器件的一端与母线支撑电容的一端连接，另一端分别与旁路开关的一端和第二半桥功率半导体器件的一端连接；
母线支撑电容的另一端分别于旁路开关的另一端和第二半桥功率半导体器件的另一端连接。
在本实用新型的一个实施例中，还包括：控制器，
控制器分别与第一半桥驱动器和第二半桥驱动器连接，用于控制第一半桥驱动器和第二半桥驱动器的驱动信号互锁，以使第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件导通时，第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件关断；第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件导通时，第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件关断。
在本实用新型的一个实施例中，第一半桥驱动器和/或第二半桥驱动器为：基于直接驱动模式的半桥驱动器，其中，
第一半桥驱动器用于驱动第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件同时导通或者同时关断；
第二半桥驱动器用于驱动第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件同时导通或者同时关断。
在本实用新型的一个实施例中，第一半桥功率半导体器件和第二半桥功率半导体器件分别包含并联的多个半桥功率半导体器件，其中，每一个半桥功率半导体器件包括串联的两个功率半导体器件。
在本实用新型的一个实施例中，功率半导体器件包括以下所列项中的任意一种：
绝缘栅极双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、电子注入增强型栅极晶体管IEGT、静电感应晶闸管SITH、功率场效应晶体管Power MOSFET。
另一方面，本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器，包括本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器子模块。
本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器，通过使用耐压规格较低的功率半导体器件，能够减少成本，并且没有增加旁路开关和母线支撑电容，也能够减少成本，并且能够减少体积及占地面积。
附图说明
下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第一种结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第二种结构示意图；
图3示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第三种结构示意图；
图4示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第四种结构示意图；
图5示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底端”、“顶端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第一种结构示意图。MMC子模块包括：第一半桥功率半导体器件101、第二半桥功率半导体器件102、第一半桥驱动器103、第二半桥驱动器104、母线支撑电容105和旁路开关106。
第一半桥功率半导体器件101和第二半桥功率半导体器件102分别包含串联的两个功率半导体器件11。
第一半桥驱动器103与第一半桥功率半导体器件101中的每个功率半导体器件11连接。
第二半桥驱动器104与第二半桥功率半导体器件102中的每个功率半导体器件11连接。
第一半桥功率半导体器件101的一端与母线支撑电容105的一端连接，另一端分别与旁路开关106的一端和第二半桥功率半导体器件102的一端连接。
母线支撑电容105的另一端分别与旁路开关106的另一端和第二半桥功率半导体器件102的另一端连接。
需要说明的是，本实用新型实施例的MMC子模块中所使用的功率半导体器件为耐压规格较低的功率半导体器件。
本实用新型实施例提供的MMC子模块，通过使用耐压规格较低的功率半导体器件，能够减少成本，并且没有增加旁路开关和母线支撑电容，也能够减少成本，并且能够减少体积及占地面积。
在本实用新型的一个实施例中，本实用新型实施例的MMC子模块，还可以包括控制器。如图2所示，图2示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第二种结构示意图。本实用新型图2所示实施例在图1所示实施例的基础上，增加控制器107。控制器107分别与第一半桥驱动器103和第二半桥驱动器104连接。控制器107用于控制第一半桥驱动器103和第二半桥驱动器104的驱动信号互锁，即第一半桥功率半导体器件101中的功率半导体器件导通时，第二半桥功率半导体器件102中的功率半导体器件关断；第二半桥功率半导体器件102中的功率半导体器件导通时，第一半桥功率半导体器件101中的功率半导体器件关断；防止直通情况的发生。
在本实用新型的一个实施例中，本实用新型实施例中的第一半桥驱动器103和/或第二半桥驱动器104可以为：基于直接驱动模式的半桥驱动器，其中，第一半桥驱动器103用于驱动第一半桥功率半导体器件101中的功率半导体器件同时导通或者同时关断；第二半桥驱动器104用于驱动第二半桥功率半导体器件102中的功率半导体器件同时导通或者同时关断。
在本实用新型的一个实施例中，为了扩大容量，第一半桥功率半导体器件和第二半桥功率半导体器件可以分别包含并联的多个半桥功率半导体器件，其中，每一个半桥功率半导体器件包括串联的两个功率半导体器件。如图3所示，图3示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第三种结构示意图。本实用新型图3所示实施例在图1所示实施例的基础上，第一半桥功率半导体器件101包含并联的M个半桥功率半导体器件12，第二半桥功率半导体器件102包含并联的N个半桥功率半导体器件12，其中，M个半桥功率半导体器件和N个半桥功率半导体器件中的每一个半桥功率半导体器件12均包括串联的两个功率半导体器件11。图3中M和N均为2。
在本实用新型的一个实施例中，上述功率半导体器件可以包括以下所列项中的任意一种：绝缘栅极双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor，简称为IGBT)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，简称为IGCT)、电子注入增强型栅极晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，简称为IEGT)、静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor，简称为SITH)、功率场效应晶体管(Power Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，简称为Power MOSFET)。
下面以功率半导体器件为IGBT为例进行说明。如图4所示，图4图4示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第四种结构示意图。MMC子模块包括：第一半桥IGBT201、第二半桥IGBT202、第一半桥驱动器203、第二半桥驱动器204、母线支撑电容205和旁路开关206。
第一半桥IGBT201和第二半桥IGBT202分别包含串联的两个IGBT207以及与每个IGBT207反并联的二极管208。
第一半桥驱动器203与第一半桥IGBT201中的每个IGBT207连接。
第二半桥驱动器204与第二半桥IGBT202中的每个IGBT207连接。
第一半桥IGBT201的一端与母线支撑电容205的一端连接，另一端分别与旁路开关206的一端和第二半桥IGBT202的一端连接。
母线支撑电容205的另一端分别于旁路开关206的另一端和第二半桥IGBT202的另一端连接。
第一半桥驱动器203和第二半桥驱动器204的驱动信号互锁，即第一半桥IGBT201中的IGBT207导通时，第二半桥IGBT202中的IGBT207关断；第二半桥IGBT202中的IGBT207导通时，第一半桥IGBT201中的IGBT207关断；防止直通情况的发生。
另外，第一半桥驱动器203和/或第二半桥驱动器204可以为：基于直接驱动模式的半桥驱动器。第一半桥驱动器203用于驱动第一半桥IGBT201中的IGBT207同时导通或者同时关断；第二半桥驱动器204用于驱动第二半桥IGBT202中的IGBT207同时导通或者同时关断。
当电流正向且第一半桥IGBT201中的IGBT207同时导通、第二半桥IGBT202中的IGBT207同时关断时，电流流经与第一半桥IGBT201中的IGBT207反并联的二极管208，再流经母线支撑电容205，对母线支撑电容205进行充电，MMC子模块端口输出电压为母线支撑电容205两端的电压。
当电流正向且第二半桥IGBT202中的IGBT207同时导通、第一半桥IGBT201中的IGBT207同时关断时，电流流经第二半桥IGBT202中的IGBT207，母线支撑电容205的电压保持恒定，旁路掉母线支撑电容205，MMC子模块端口输出电压为零。
当电流负向且第一半桥IGBT201中的IGBT207同时导通、第二半桥IGBT202中的IGBT207同时关断时，母线支撑电容205放电，电流流经第一半桥IGBT201中的IGBT207，MMC子模块端口输出电压为母线支撑电容205两端的电压。
当电流负向且第二半桥IGBT202中的IGBT207同时导通、第一半桥IGBT201中的IGBT207同时关断时，电流流经与第二半桥IGBT202中的IGBT207反并联的二极管208，旁路掉母线支撑电容205，MMC子模块端口输出电压为零。
本实用新型实施例还提供一种MMC，包括本实用新型实施例的MMC子模块。以功率半导体器件为IGBT为例。图5示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的拓扑示意图。其中，MMC包括正直流母线、负直流母线、六个电感和六个桥臂，其中，每一个桥臂由本实用新型实施例的MMC子模块串联组成。其中，一个桥臂与两个电感串联后再与另一桥臂进行串联，然后再连接于正直流母线和负直流母线之间，串联的两个电感之间的连接点与三相电中的一相连接。
本实用新型实施例提供的MMC，通过使用耐压规格较低的功率半导体器件，能够减少成本，并且没有增加旁路开关和母线支撑电容，也能够减少成本，并且能够减少体积及占地面积。
虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (6)
1.一种模块化多电平换流器子模块，其特征在于，包括：第一半桥功率半导体器件、第二半桥功率半导体器件、第一半桥驱动器、第二半桥驱动器、母线支撑电容和旁路开关，其中，
所述第一半桥功率半导体器件和所述第二半桥功率半导体器件分别包含串联的两个功率半导体器件；
所述第一半桥驱动器与所述第一半桥功率半导体器件中的每个功率半导体器件连接；
所述第二半桥驱动器与所述第二半桥功率半导体器件中的每个功率半导体器件连接；
所述第一半桥功率半导体器件的一端与所述母线支撑电容的一端连接，另一端分别与所述旁路开关的一端和所述第二半桥功率半导体器件的一端连接；
所述母线支撑电容的另一端分别与所述旁路开关的另一端和所述第二半桥功率半导体器件的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，还包括：控制器，
所述控制器分别与所述第一半桥驱动器和所述第二半桥驱动器连接，用于控制所述第一半桥驱动器和所述第二半桥驱动器的驱动信号互锁，以使所述第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件导通时，所述第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件关断；所述第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件导通时，所述第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件关断。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，所述第一半桥驱动器和/或所述第二半桥驱动器为：
基于直接驱动模式的半桥驱动器，其中，
第一半桥驱动器用于驱动所述第一半桥功率半导体器件中的功率半导体器件同时导通或者同时关断；
第二半桥驱动器用于驱动所述第二半桥功率半导体器件中的功率半导体器件同时导通或者同时关断。
4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，所述第一半桥功率半导体器件和所述第二半桥功率半导体器件分别包含并联的多个半桥功率半导体器件，其中，每一个半桥功率半导体器件包括串联的两个功率半导体器件。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，所述功率半导体器件包括以下所列项中的任意一种：
绝缘栅极双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、电子注入增强型栅极晶体管IEGT、静电感应晶闸管SITH、功率场效应晶体管Power MOSFET。
6.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的模块化多电平换流器子模块。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109546882A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-03-29 | 华北电力大学 | 一种基于混合式全桥的半全混合mmc及其控制方法 |
| CN113866610A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-12-31 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 一种全桥功率模块的直通保护检测方法和相关装置 |
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| CN109546882A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-03-29 | 华北电力大学 | 一种基于混合式全桥的半全混合mmc及其控制方法 |
| CN113866610A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-12-31 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 一种全桥功率模块的直通保护检测方法和相关装置 |
| CN113866610B (zh) * | 2021-10-22 | 2022-07-01 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 一种全桥功率模块的直通保护检测方法和相关装置 |
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