一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法技术

本发明专利技术公开了一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法，包括：控制模块以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括一个SiC子模块和多个Si子模块；SiC子模块采用SiC MOSFET；Si子模块采用Si IGBT；在对子模块进行桥臂电压调制时，将调制波分为整数部分与小数部分，使SiC MOSFET工作在PWM模式，输出桥臂电压的小数部分；使Si IGBT按照整数部分电压工作在NLM调制模式，输出桥臂电压的整数部分；从而将大部分开关动作由Si子模块转移到SiC子模块，降低了Si IGBT的开关频率，充分利用SiC MOSFET低开关损耗与Si IGBT低成本以及低导通损耗的特点，降低了MMC的总损耗和成本，效率较高。

A hybrid MMC of Si device and SiC device and its modulation method

【技术实现步骤摘要】
一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法
本专利技术属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法。
技术介绍
模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter，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，研究一种模块化多电平变换器及其调制方法存在重要的意义。现有的MMC通常由相同的子模块构成，子模块中的功率半导体器件直接影响子模块的性能，从而影响MMC的性能。例如，功率半导体器件对变换器的效率和开关频率限制有很大的影响。目前，中高压应用场合的MMC以Si器件SiIGBT为主，其开关损耗较高，且无法应用于高频率运行的极端工作条件。宽禁带半导体器件，如SiC器件SiCMOSFET，由于其低开关损耗、高耐温特性、高阻断电压的特性，适用于高频率运行的极端工作条件，在MMC应用中有更大潜力。然而，基于SiCMOSFET的MMC有两个主要缺点。首先是高价问题，SiCMOSFET的价格大约是SiIGBT的8倍。另外，由于在MMC中有大量的子模块和器件，因此基于SiCMOSFET的MMC的成本是非常高的。其次，基于SiCMOSFET的MMC在高功率下，由于SiCMOSFET在大电流下，导通压降较高，进而产生较大的导通损耗，效率较低。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法，用以解决现有基于SiCMOSFET的MMC由于SiCMOSFET在大电流下导通压降较高，产生较大的导通损耗而导致效率较低的技术问题。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提出了一种Si器件与SiC器件混合型MMC，包括：控制模块以及串联的上桥臂和下桥臂；上桥臂和下桥臂均包括一个SiC子模块和多个Si子模块；其中，各子模块串联；SiC子模块采用SiCMOSFET功率器件；Si子模块采用SiIGBT功率器件；控制模块的输出端分别与各子模块相连；控制模块用于在上、下桥臂中，根据桥臂电压和桥臂子模块平均额定电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数，并控制各桥臂中的SiC子模块生成在0-1区间波动的桥臂三角载波，且在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态；并根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiCMOSFET的投切状态；并采用NLM对整数投入子模块数个Si子模块的投切状态进行控制；上桥臂和下桥臂均用于基于SiC子模块的投切状态产生小数部分桥臂电压，基于Si子模块的投切状态产生整数部分桥臂电压，并将所得小数部分桥臂电压和整数部分桥臂电压相结合，输出全桥臂电压。第二方面，本专利技术提出了一种基于本专利技术第一方面所提出的Si器件与SiC器件混合型MMC的调制方法，包括以下步骤：S1、分别在上、下桥臂中，基于其桥臂电流和桥臂电压确定Si子模块电容充放电状态，并根据其电容充放电状态和子模块电容电压对Si子模块进行排序；S2、分别在各桥臂中，根据其桥臂电压和桥臂子模块平均额定电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数；S3、分别在各桥臂的SiC子模块上生成在0-1区间波动的桥臂三角载波，且在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态；并根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiC子模块的输出电平，输出各桥臂电压的小数部分；并采用NLM对前整数投入子模块数个Si子模块进行控制，输出其桥臂电压的整数部分，从而输出全桥臂电压；S4、分别在各桥臂中判断其相邻两次的整数投入子模块数是否相等，若不相等，按照步骤S1的方法，重新对相邻两次的整数投入子模块数不相等的桥臂中的Si子模块进行排序；S5、重复步骤S2-S4进行迭代，持续输出全桥臂电压。进一步优选地，所述整数投入子模块数是整数，用于表示采用多少Si子模块来输出桥臂电压的整数部分；所述小数投入子模块数是小数，用于表示SiC子模块以相应占空比断续输出子模块电容电压，以得到桥臂电压的小数部分。进一步优选地，整数投入子模块数N和所述小数投入子模块数n的计算公式如下：其中，uarm为桥臂电压，UC为桥臂子模块平均额定电容电压。进一步优选地，步骤S3中，在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态的方法，包括：当整数投入子模块数小于Si子模块总数时，若SiC子模块电压大于等于Si子模块平均电容电压，根据电流方向将SiC子模块进行正投入或负投入，使其放电；否则，根据电流方向将SiC子模块进行正投入或负投入，使其充电；其中，当SiC子模块进行负投入时，整数投入子模块数加一，以维持桥臂输出电压；当整数投入子模块数大于等于Si子模块总数时，SiC子模块不进行负投入。进一步优选地，当SiC子模块电压大于等于Si子模块平均电容电压时，若桥臂电流小于零，则使SiC子模块正投入放电；否则，使SiC子模块负投入放电；当SiC子模块电压小于Si子模块平均电容电压时，若桥臂电流小于零，则使SiC子模块负投入充电；否则，使SiC子模块正投入充电。进一步优选地，步骤S3中，根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiC子模块的输出电平的方法，包括：若SiC子模块正投入，且小数投入子模块数大于其桥臂三角载波的瞬时值，则使SiC子模块输出正电平；若SiC子模块负投入，且1减去数投入子模块数所得的结果大于其桥臂三角载波的瞬时值，则使SiC子模块输出负电平；其余情况下使SiC子模块输出零电平。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：1、本专利技术提供了一种Si器件与SiC器件混合型MMC，每个桥臂只有一个子模块采用SiCMOSFET，其他子模块采用SiIGBT。通过控制SiC子模块的投切状态，使SiC子模块工作在PWM模式，并输出各桥臂电压的小数部分；其中，在控制SiC子模块的投切状态时也相应的调节了整数投入子模块数，以保持各桥臂电压的稳定；并通过控制整数投入子模块数个Si子模块使其工作在NLM调制模式，生成桥臂电压阶梯波，从而在同时实现对整数和小数投入子模块桥臂电压的调制的过程中，将大部分开关动作由Si子模块转移到SiC子模块，降低了SiIGBT的开关频率，充分利用SiCMOSFET低开关损耗与SiIGBT低成本以及低导通损耗的特点，降低了MMC的总损耗和成本，效率较高。2、本专利技术所提供的一种Si器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si器件与SiC器件混合型MMC，其特征在于，包括：控制模块以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括一个SiC子模块和多个Si子模块；其中，各子模块串联；SiC子模块采用SiC MOSFET功率器件；Si子模块采用Si IGBT功率器件；所述控制模块的输出端分别与各子模块相连；/n所述控制模块用于在上、下桥臂中，根据桥臂电压和桥臂子模块平均额定电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数，并控制各桥臂中的SiC子模块生成在0-1区间波动的桥臂三角载波，且在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态；并根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiC MOSFET的投切状态；并采用NLM对整数投入子模块数个Si子模块的投切状态进行控制；/n所述上桥臂和下桥臂均用于基于SiC子模块的投切状态产生小数部分桥臂电压，基于Si子模块的投切状态产生整数部分桥臂电压，并将所得小数部分桥臂电压和整数部分桥臂电压相结合，输出全桥臂电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种Si器件与SiC器件混合型MMC，其特征在于，包括：控制模块以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括一个SiC子模块和多个Si子模块；其中，各子模块串联；SiC子模块采用SiCMOSFET功率器件；Si子模块采用SiIGBT功率器件；所述控制模块的输出端分别与各子模块相连；
所述控制模块用于在上、下桥臂中，根据桥臂电压和桥臂子模块平均额定电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数，并控制各桥臂中的SiC子模块生成在0-1区间波动的桥臂三角载波，且在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态；并根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiCMOSFET的投切状态；并采用NLM对整数投入子模块数个Si子模块的投切状态进行控制；
所述上桥臂和下桥臂均用于基于SiC子模块的投切状态产生小数部分桥臂电压，基于Si子模块的投切状态产生整数部分桥臂电压，并将所得小数部分桥臂电压和整数部分桥臂电压相结合，输出全桥臂电压。


2.一种基于权利要求1所述的Si器件与SiC器件混合型MMC的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别在上、下桥臂中，基于其桥臂电流和桥臂电压确定Si子模块电容充放电状态，并根据其电容充放电状态和子模块电容电压对Si子模块进行排序；
S2、分别在各桥臂中，根据其桥臂电压和桥臂子模块平均额定电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数；
S3、分别在各桥臂的SiC子模块上生成在0-1区间波动的桥臂三角载波，且在各桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电压与Si子模块平均电容电压之间的大小以及桥臂电流方向，确定SiC子模块的正负投入状态；并根据SiC子模块的正负投入状态以及小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制SiC子模块的输出电平，输出各桥臂电压的小数部分；并采用NLM对前整数投入子模块数个Si子模块进行控制，输出其桥臂电压的整数部分，从而输出全桥臂电压；
S4、分别在各桥臂中判断其相邻两次的整数投入子模块数是否相等，若不相等，按照步骤S1的方法，重新对相邻两次的整数投入子模块数不相等的桥臂中的Si子模块进行排序；
S5、重复步骤S2-S4进行迭代，持续输出全桥臂电压。

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【专利技术属性】
技术研发人员：林磊，殷天翔，井开源，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42