一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法技术

本发明专利技术公开了一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式，以SiC MOSFET的沟道双向导通特性为基础，通过不断的调整电流阈值，使得两种工作模式在整个工作周期内自适应的进行转换，从而调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，实现MMC子模块器件的损耗最小化，该方法从器件控制角度出发，不改变换流器输出电能质量，利用SiC MOSFET沟道可双向导通电流的特性，在MMC输出波形不变的情况下实现子模块器件损耗的均衡，不会对MMC系统顶层控制造成影响；另外，该方法不需要增加额外的功率器件，适用于最基础的半桥子模块拓扑，不受拓扑的限制，可实现‑π/2至π/2的全功率因数范围内的损耗均衡，适用场景丰富。

【技术实现步骤摘要】
一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法
本专利技术属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法。
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。为适应复杂应用场景与环境的运行要求，MMC的效率、成本、对环境的适应能力要求逐步提高。当前MMC子模块中开关器件普遍采用Si基器件，然而传统Si基器件属于第一代器件，损耗较高，难以运行于125℃以上的高温环境，传输效率难以进一步提升的同时需要牺牲大量体积与重量解决散热问题。近年SiC器件的出现与发展成为解决这一问题的新机遇，相比于传统Si基器件，SiC器件具有大约10倍的电场强度、大约3倍的禁带宽度、大约3倍的热导率、大约2倍的饱和漂移速度，考虑到器件性能、成本、技术成熟度，SiCMOSFET是最适合MMC的SiC器件，未来将全面取代SiIGBT获得广泛应用。然而，由于MMC稳定性取决于子模块稳定性，而子模块稳定性取决于各器件稳定性，而器件损耗越大结温越高器件故障率越高寿命越低。MMC由于其结构特性，各器件之间的损耗是不均衡的，所以器件结温也不均，这给MMC散热设计带来了难度，且使得子模块寿命取决于结温最高的器件。因此，研究一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法具有重要的意义。现有的MMC子模块器件损耗均衡方案均从改变系统控制角度出发，通过改变系统的调制策略(如改变瞬时切入子模块的个数)，或者加入额外晶闸管实现损耗的均衡，这样损耗的均衡会带来MMC换流器输出电能质量的改变或增加额外器件。还有一些方法通过全桥子模块拓扑0状态有两种电流通路来进行损耗均衡，但不适用于应用更为普遍的半桥子模块拓扑。
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均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，用以解决现有方法由于会改变系统的调制策略而导致损耗均衡后影响MMC输出电能质量的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，包括以下步骤：S1、根据MMC子模块的桥臂电流方向由SiCMOSFET的源极至漏极时SiCMOSFET沟道是否导通，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式；初始化电流阈值Ith；S2、检测MMC传输电能的功率因数，基于该功率因数和电流阈值Ith，计算当前子模块中各器件的损耗，取最大值和最小值得到损耗差，判断损耗差是否达到器件损耗差的极小值；若达到，则保持现有工作模式，算法结束；否则，转至步骤S3；S3、通过比较子模块下桥臂各器件的损耗相应调整电流阈值Ith的取值；S4、判断子模块桥臂电流的绝对值与电流阈值Ith之间的大小，若子模块桥臂电流的绝对值小于等于电流阈值Ith，则使子模块工作于非同步整流模式，转至步骤S2；否则，则使子模块工作于同步整流模式，转至步骤S2。进一步优选地，步骤S1中，若MMC子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的源极至漏极时SiCMOSFET沟道导通，则记子模块工作在同步整流模式下；若子模块的桥臂电流方向由源极至漏极时SiCMOSFET沟道未导通，则记MMC子模块工作在非同步整流模式下。进一步优选地，基于功率因数和电流阈值Ith，通过对SiCMOSFET的导通压降与桥臂电流的乘积进行积分，得到MMC子模块各器件的损耗。进一步优选地，MMC子模块工作在同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的源极至漏极时，或者子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的漏极至源极，且SiCMOSFET沟道压降小于其导通阈值电压时，SiCMOSFET的导通压降ucon＝Rdsism，其中，Rds为SiCMOSFET的沟道阻抗，ism为SiCMOSFET的沟道导通电流；否则，其中，rD为与SiCMOSFET反并联的二极管的导通阻抗，VD0为与SiCMOSFET反并联的二极管的导通阈值电压；MMC子模块工作在非同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的漏极至源极时，SiCMOSFET的导通压降ucon＝Rdsism；否则，ucon＝uDon＝VD0+rDiD，其中，uDon为与SiCMOSFET反并联的二极管的压降，iD为流经与SiCMOSFET反并联的二极管的电流大小。进一步优选地，MMC子模块器件的损耗为：其中，Pcon_T1为MMC子模块上桥臂SiCMOSFET的损耗，Pcon_D1为与MMC子模块上桥臂SiCMOSFET反并联的二极管的损耗，Pcon_T2为MMC子模块下桥臂SiCMOSFET的损耗，Pcon_D2为与MMC子模块下桥臂SiCMOSFET反并联的二极管的损耗，g1和g2分别为MMC子模块上、下桥臂SiCMOSFETT的栅极导通信号，ucon为各SiCMOSFET的导通压降，θ1、θ2、θ3、θ4分别表示为：其中，Im为MMC输出交流相电流峰值，m为MMC传输电压调制比，为功率因数。进一步优选地，上述步骤S3中，若子模块下桥臂SiCMOSFET的损耗大于与其反并联二极管的损耗，则使电流阈值Ith加上预设步长λ；否则，使电流阈值Ith减去预设步长λ。进一步优选地，本专利技术所提供的均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，适用于基于SiCMOSFET的MMC。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、本专利技术提出的一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，以SiCMOSFET的沟道双向导通特性为基础，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式，并通过不断的调整电流阈值Imth使得两种工作模式在整个工作周期内自适应的进行转换，从而调整两种工作模式在整个工作周期内的占比，进而实现MMC子模块器件的损耗最小化，实现器件结温均衡，该方法从器件控制角度出发，不改变换流器输出电能质量，利用SiCMOSFET沟道可双向导通电流的特性，在MMC输出波形不变的情况下实现子模块器件损耗的均衡，在损耗均衡后不会影响MMC输出的电能质量。2、本专利技术所提出的一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，不需要增加额外的功率器件，适用于最基础的半桥子模块拓扑，因此不受拓扑所限制，另外该方案不会造成MMC输出的变化，不会对MMC系统顶层控制造成影响；并且可实现-π/2至π/2的全功率因数范围内的损耗均衡，适用场景丰富。附图说明图1为本专利技术提供的一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法流程图；图2为本专利技术提供的MMC子模块分别工作在同步整流模式和非同步整流模式下电流为SiCMOSFET的源极到漏极时的通流情况；图3为本专利技术提供的基于SiCMOSFET的MMC拓扑；图4为本专利技术提供的基于SiCMOSFET的MMC运行时桥臂电压、电流波形示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种均衡SiC MOS MMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据MMC子模块的桥臂电流方向由SiC MOSFET的源极至漏极时SiC MOSFET沟道是否导通，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式；初始化电流阈值I

【技术特征摘要】
1.一种均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据MMC子模块的桥臂电流方向由SiCMOSFET的源极至漏极时SiCMOSFET沟道是否导通，将子模块的工作模式分为同步整流模式和非同步整流模式；初始化电流阈值Ith；
S2、检测MMC传输电能的功率因数，基于该功率因数和电流阈值Ith，计算当前子模块中各器件的损耗，并计算各器件损耗的最大值和最小值之差，得到损耗差，判断损耗差是否达到器件损耗差的极小值；若达到，则保持现有工作模式，算法结束；否则，转至步骤S3；
S3、通过比较子模块下桥臂各器件的损耗大小，相应的调整电流阈值Ith的取值；
S4、判断子模块桥臂电流的绝对值与电流阈值Ith之间的大小，若子模块桥臂电流的绝对值小于等于电流阈值Ith，则使子模块工作于非同步整流模式，转至步骤S2；否则，则使子模块工作于同步整流模式，转至步骤S2。


2.根据权利要求1所述的均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，所述步骤S1中，若MMC子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的源极至漏极时SiCMOSFET沟道导通，则记子模块工作在同步整流模式下；若子模块的桥臂电流方向由源极至漏极时SiCMOSFET沟道未导通，则记MMC子模块工作在非同步整流模式下。


3.根据权利要求1所述的均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，基于功率因数和电流阈值Ith，通过对各时刻SiCMOSFET的导通压降与桥臂电流的乘积进行积分，得到MMC子模块各器件的损耗。


4.根据权利要求3所述的均衡SiCMOSMMC子模块器件损耗的方法，其特征在于，MMC子模块工作在同步整流模式下时，若子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的源极至漏极时，或者子模块的桥臂电流方向为SiCMOSFET的漏极至源极，且SiCMOSFET沟道压降小于其导通阈值电压时，SiCMOSFET的导通...

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