[發明專利]一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略

有效

• 申請號: 202011129759.1
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112152477B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 林磊;井開源;殷天翔
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M7/483;H02M7/5387
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略，屬于電壓變換器領域。拓撲包括：控制模塊、飛跨電容以及串聯的上橋臂和下橋臂；上橋臂和下橋臂均包含偶數個子模塊，由飛跨電容劃分為上、下半橋臂，每個半橋臂均包括1個SiC子模塊和N/2?1個Si子模塊；控制模塊生成橋臂電壓調制波，并將調制波分為整數部分與小數部分。通過提高SiC子模塊開關頻率來維持半橋臂電壓中高頻成分波形質量，從而將大部分開關動作由Si子模塊轉移到SiC子模塊，在利用了飛跨電容MMC優勢的同時，降低了Si IGBT的開關頻率，充分利用SiC MOSFET低開關損耗與Si IGBT低成本、低導通損耗的特點，降低了飛跨電容MMC的總損耗和成本，效率較高。

技術領域

本發明屬于電壓變換器領域，更具體地，涉及一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略。

背景技術

模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter，MMC)以其良好的波形質量、模塊化的結構和靈活的可擴展性，在電機驅動、直流輸電等方面有著廣闊的應用前景。飛跨電容MMC作為一種MMC拓撲，因具有較低的電容電壓波動而受到廣泛關注。現有的飛跨電容MMC通常由相同的子模塊構成，子模塊中的功率半導體器件直接影響子模塊的性能，從而影響變換器的性能。例如，功率半導體器件對變換器的效率和開關頻率限制有很大的影響。目前，中高壓應用場合的飛跨電容MMC以Si器件Si IGBT為主，其開關損耗較高，且無法應用于高頻率運行的極端工作條件。然而，飛跨電容MMC橋臂電壓中包含高頻分量，同時飛跨電容的大小與開關頻率呈負相關，所以變換器需要維持在較高開關頻率，采用Si功率器件將產生較大的開關損耗。寬禁帶半導體器件，如SiC器件SiC MOSFET，由于其低開關損耗、高耐溫特性、高阻斷電壓的特性，適用于高頻率運行的極端工作條件，因而在飛跨電容MMC應用中有更大潛力。然而，基于SiC MOSFET的MMC有兩個主要缺點。首先是價格問題，SiCMOSFET的價格大約是Si IGBT的8倍，由于在MMC中有大量的子模塊和器件，因此基于SiCMOSFET的MMC的成本是非常高的。其次，基于SiC MOSFET的MMC在高功率大電流下，導通壓降較高，進而產生較大的導通損耗，效率較低。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略，用以解決傳統飛跨電容MMC由于高開關頻率，產生較大的導通損耗而導致效率較低的技術問題。

飛跨電容MMC作為一種改進MMC拓撲因具有低電容電壓脈動等顯著優勢，受到廣泛關注。與傳統MMC區別在于飛跨電容MMC的上下橋臂通過一個電容連接，進而將每個橋臂分為上半橋臂與下半橋臂兩部分，每個半橋臂對應一個電壓參考波進行獨立調制。傳統飛跨電容式MMC采用載波移相調制策略，為了保證半橋臂電壓中高頻成分的波形質量，所有子模塊開關頻率都維持在一個較高水平，損耗大，效率較低。針對飛跨電容式MMC現有調制策略的缺點，提出一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略，以取得更優的變換器性能。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提出了一種改進型飛跨電容MMC拓撲，包括：控制模塊、飛跨電容以及串聯的上橋臂和下橋臂；所述上橋臂和下橋臂均包括N個子模塊，N為偶數，由飛跨電容劃分為上半橋臂與下半橋臂，即每相包括2個上半橋臂和2個下半橋臂，每個半橋臂包括1個SiC子模塊和N/2-1個Si子模塊；SiC子模塊采用全橋拓撲與SiC MOSFET開關器件；Si子模塊采用半橋拓撲與Si IGBT開關器件；所述控制模塊的輸出端分別與各子模塊中開關器件相連，控制SiC子模塊工作在PWM模式，Si子模塊工作在NLM模式。

第二方面，本發明提出了一種基于本發明第一方面所提出的改進型飛跨電容MMC拓撲的調制策略，包括以下步驟：

S1、分別在各半橋臂中，基于其橋臂電流方向確定該半橋臂中Si子模塊電容充放電狀態，并根據其充放電狀態和電容電壓確定Si子模塊充放電順序，對Si子模塊投切順序進行排序；