一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略，属于电压变换器领域。拓扑包括：控制模块、飞跨电容以及串联的上桥臂和下桥臂；上桥臂和下桥臂均包含偶数个子模块，由飞跨电容划分为上、下半桥臂，每个半桥臂均包括1个SiC子模块和N/2‑1个Si子模块；控制模块生成桥臂电压调制波，并将调制波分为整数部分与小数部分。通过提高SiC子模块开关频率来维持半桥臂电压中高频成分波形质量，从而将大部分开关动作由Si子模块转移到SiC子模块，在利用了飞跨电容MMC优势的同时，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、低导通损耗的特点，降低了飞跨电容MMC的总损耗和成本，效率较高。

【技术实现步骤摘要】
一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略
本专利技术属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略。
技术介绍
模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter，MMC)以其良好的波形质量、模块化的结构和灵活的可扩展性，在电机驱动、直流输电等方面有着广阔的应用前景。飞跨电容MMC作为一种MMC拓扑，因具有较低的电容电压波动而受到广泛关注。现有的飞跨电容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，从而影响变换器的性能。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，中高压应用场合的飞跨电容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。然而，飞跨电容MMC桥臂电压中包含高频分量，同时飞跨电容的大小与开关频率呈负相关，所以变换器需要维持在较高开关频率，采用Si功率器件将产生较大的开关损耗。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，因而在飞跨电容MMC应用中有更大潜力。然而，基于SiCMOSFET的MMC有两个主要缺点。首先是价格问题，SiCMOSFET的价格大约是SiIGBT的8倍，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
r>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改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略，用以解决传统飞跨电容MMC由于高开关频率，产生较大的导通损耗而导致效率较低的技术问题。飞跨电容MMC作为一种改进MMC拓扑因具有低电容电压脉动等显著优势，受到广泛关注。与传统MMC区别在于飞跨电容MMC的上下桥臂通过一个电容连接，进而将每个桥臂分为上半桥臂与下半桥臂两部分，每个半桥臂对应一个电压参考波进行独立调制。传统飞跨电容式MMC采用载波移相调制策略，为了保证半桥臂电压中高频成分的波形质量，所有子模块开关频率都维持在一个较高水平，损耗大，效率较低。针对飞跨电容式MMC现有调制策略的缺点，提出一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略，以取得更优的变换器性能。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提出了一种改进型飞跨电容MMC拓扑，包括：控制模块、飞跨电容以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N为偶数，由飞跨电容划分为上半桥臂与下半桥臂，即每相包括2个上半桥臂和2个下半桥臂，每个半桥臂包括1个SiC子模块和N/2-1个Si子模块；SiC子模块采用全桥拓扑与SiCMOSFET开关器件；Si子模块采用半桥拓扑与SiIGBT开关器件；所述控制模块的输出端分别与各子模块中开关器件相连，控制SiC子模块工作在PWM模式，Si子模块工作在NLM模式。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改进型飞跨电容MMC拓扑的调制策略，包括以下步骤：S1、分别在各半桥臂中，基于其桥臂电流方向确定该半桥臂中Si子模块电容充放电状态，并根据其充放电状态和电容电压确定Si子模块充放电顺序，对Si子模块投切顺序进行排序；S2、分别在各半桥臂中，由控制模块生成每个半桥臂电压参考值与0-1区间波动的三角载波，根据其半桥臂电压和子模块额定电容电压计算其整数投入子模块数nSi和小数投入子模块数nSiC；S3、分别在各半桥臂中，利用全桥子模块拓扑负投入的能力，由控制模块确定SiC子模块的正负投入状态以及充放电状态，使其工作在PWM模式，从而控制SiC子模块输出各半桥臂电压的小数部分；并根据Si子模块的排序，控制前整数投入子模块数个Si子模块投入，输出其半桥臂电压的整数部分；整数部分的半桥臂电压和小数部分的半桥臂叠加，得到整个半桥臂电压；全桥臂电压由上半桥臂电压与下半桥臂电压叠加构成；S4、分别在各半桥臂中判断其相邻两次的Si子模块投入数是否相等，若不相等，按照步骤S1的方法，重新对相邻两次的Si子模块投入数不相等的半桥臂中的Si子模块进行排序，决定其充放电顺序；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nSi是整数，用于表示投入多少Si子模块来输出半桥臂电压的整数部分；所述小数投入子模块数nSiC是小数，用于表示SiC子模块以相应占空比工作在PWM模式，以得到半桥臂电压的小数部分。其计算公式如下：其中，uarm为半桥臂电压参考值，UC为子模块额定电容电压。进一步优选地，所述步骤S1中，以桥臂电流向子模块电容充电的方向为正方向，若半桥臂电流大于零，子模块电容充电，则Si子模块按电容电压由小到大排序，使电容电压小的Si子模块先充电；若半桥臂电流小于零，子模块电容放电，则Si子模块按电容电压由大到小排序，使电容电压大的Si子模块先放电；步骤S3中，在各半桥臂中，通过判断整数投入子模块数的大小、SiC子模块电容电压与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式，包括：整数投入子模块数应小于或等于半桥臂中Si子模块总数；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等于Si子模块总数时，由于Si子模块数投入数不能再增加，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三角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式，包括：若SiC子模块正投入，且小数投入子模块数大于其三角载波的瞬时值，则使SiC子模块输出正电平；若SiC子模块负投入，且1减去小数投入子模块数所得的结果大于其三角载波的瞬时值，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改进型飞跨电容MMC拓扑，在飞跨电容单相4个半桥臂的基础上，每个半桥臂只有1个子模块采用SiCMOSFET开关器件，其余N/2-1个子模块采用SiIGBT开关器件，即每个半桥臂由1个SiC子模块与N/2-1个Si子模块构成。其中SiCMOSFET价格约为SiIGBT的8倍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进型飞跨电容MMC拓扑，其特征在于，包括：控制模块、飞跨电容以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N为偶数，由飞跨电容划分为上半桥臂与下半桥臂，即每相包括2个上半桥臂和2个下半桥臂，每个半桥臂包括1个SiC子模块和N/2-1个Si子模块；所述控制模块的输出端与各子模块中开关器件相连，控制SiC子模块工作在PWM模式，Si子模块工作在NLM模式。/n

【技术特征摘要】
1.一种改进型飞跨电容MMC拓扑，其特征在于，包括：控制模块、飞跨电容以及串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N为偶数，由飞跨电容划分为上半桥臂与下半桥臂，即每相包括2个上半桥臂和2个下半桥臂，每个半桥臂包括1个SiC子模块和N/2-1个Si子模块；所述控制模块的输出端与各子模块中开关器件相连，控制SiC子模块工作在PWM模式，Si子模块工作在NLM模式。


2.根据权利要求1所述的改进型飞跨电容MMC拓扑，其特征在于，SiC子模块采用全桥拓扑与SiCMOSFET开关器件，Si子模块采用半桥拓扑与SiIGBT开关器件。


3.一种基于权利要求2所述的改进型飞跨电容MMC拓扑的调制策略，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别在各半桥臂中，基于其桥臂电流方向确定该半桥臂中Si子模块电容充放电状态，并根据其充放电状态和电容电压确定Si子模块充放电顺序，对Si子模块投切顺序进行排序；
S2、分别在各半桥臂中，由控制模块生成每个半桥臂电压参考值与0-1区间波动的三角载波，根据其半桥臂电压和子模块额定电容电压计算其整数投入子模块数nSi和小数投入子模块数nSiC；
S3、分别在各半桥臂中，利用全桥子模块拓扑负投入的能力，由控制模块确定SiC子模块的正负投入状态以及充放电状态，使其工作在PWM模式，从而控制SiC子模块输出各半桥臂电压的小数部分；并根据Si子模块的排序，控制前整数投入子模块数个Si子模块投入，输出其半桥臂电压的整数部分；整数部分的半桥臂电压和小数部分的半桥臂叠加，得到整个半桥臂电压；全桥臂电压由上半桥臂电压与下半桥臂电压叠加构成；
S4、分别在各半桥臂中判断其相邻两次的Si子模块投入数是否相等，当不相等时，按照步骤S1的方法，重新对相邻两次的Si子模块投入数不相等的半桥臂中的Si子模块进行排序，决定其充放电顺序；
S5、重复步骤S2-S4，持续输出全桥臂电压。


4.根据权利要求3所述的改进型飞跨电容MMC拓扑的调制策略，其特征在于，所述整数投入子模块数nSi表示Si子模块投入个数，所述小数投入子模块数nSiC为小数，用于表示SiC子模块以相应占空比工作在PWM模式，其计算公式如下：






其中，uarm...

【专利技术属性】
技术研发人员：林磊，井开源，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