多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑制造技术

本发明专利技术涉及一种多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑，包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，第一IGBT元件和第二IGBT元件，右支路包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC-MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。本发明专利技术采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，打破了由于Si材料带来的开关频率的限制，全面提升MMC-HVDC系统的开关频率。

【技术实现步骤摘要】
多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑
本专利技术涉及一种多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑，具体涉及一种多电平变流器子模块及采用其制作的单相全桥逆变电路、MMC(模块化多电平换流器)拓扑，属电力电子领域。
技术介绍
模块化多电平换流器(modularmultilevelConverter，MMC)具有有功功率和无功功率独立控制、输出电压电平数多(谐波含量低)、输出电压波形好、开关频率低、高度模块化、易于扩展、冗余控制等优点，是近年来国内外学术界与工业界研究的热点。MMC已经在风电并网、远距离大容量电力输送等场合得到成功应用，未来将在可再生能源并网、交流系统异步互连、高压直流输电(highvoltagedireCtCurrent，HVDC)、多端直流输电等领域得到更为广泛的应用。图1为传统的全桥子模块功率单元，当采用SPWM调制(如图2所示)时，其工作原理是电路左面支路上、下桥臂IGBT元件轮流导通，其开关频率为调制正弦波频率；右面支路上、下桥臂IGBT元件也是轮流导通，其开关频率为载波频率。由此可以看出两个支路分别工作在不同的频率环境下，右臂元件的开关频率明显受到由于Si材料带来的限制，存在如下缺点：1、电压高，功率大，开关频率低，通常低于10kHz。2、传统基于Si的功率器件开关损耗较大。3、整个系统的体积较大，无源元件庞大，系统成本较高。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种基于SiC功率器件的多电平变流器子模块及其制作的逆变电路、MMC拓扑的设计方案，全面提升MMC-HVDC系统的开关频率，降低开关损耗和有效提高系统效率、减小系统体积。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：多电平变流器子模块，包括包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，第一IGBT元件和第二IGBT元件，右支路包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC-MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。采用多电平变流器子模块制作的逆变电路，其特征是包括电阻和电抗器，电阻和电抗器相串联，电阻另一端连接第一IGBT元件和第二IGBT元件之间的公共点，电抗器另一端连接第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点。采用多电平变流器子模块制作的MMC拓扑，它由六个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接的多电平变流器子模块与一个电抗器串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元，六个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。本专利技术所述左支路的第一、第二IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，打破了由于Si材料带来的开关频率的限制，全面提升MMC-HVDC系统的开关频率。2、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，降低了子模块开关损耗，从而提高了MMC-HVDC系统效率。3、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，充分考虑了经济性。4、采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块，系统实现高频化，电容电压纹波、输出谐波分量变小，整个系统(包括滤波装置)的电抗器、电容相对降低了很多，利于大大减小变流器系统的体积。附图说明图1是现有技术的全桥子模块单元的结构示意图。图2是SPWM调制的波形图。图3是本专利技术所述多电平变流器子模块的结构示意图。图4是本专利技术所述多电平变流器子模块制作的逆变电路的结构示意图。图5是多电平变流器子模块制作的MMC拓扑的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的进行详细的描述。实施例1：参见图3所示的多电平变流器子模块，采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块结构设计，包括左支路Z、右支路Y、电容C，左支路Z、右支路Y、电容C三者相并联，左支路Z包括2个IGBT元件，第一IGBT元件1和第二IGBT元件2，右支路Y包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4，第一IGBT元件1、第二IGBT元件2、第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4依次桥接，即：第一IGBT元件1的发射极连接第二IGBT元件2的集电极，第二IGBT元件2的发射极连接第二SiC-MOSFET元件4的源极，第二SiC-MOSFET元件4的漏极连接第一SiC-MOSFET元件3的源极，第一SiC-MOSFET元件3的漏极连接第一IGBT元件1的集电极。电容C的正极连接第一IGBT元件1和第一SiC-MOSFET元件3之间的公共点O，电容的负极连接第二IGBT元件2和第二SiC-MOSFET元件4之间的公共点O’。本专利技术所述左支路Z开关元件采用传统的IGBT，右支路Y开关元件则采用新型SiC-MOSFET。IGBT的开关频率为调制波正弦波频率；SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。由于SiC器件总体来说具有高额定电压、低损耗和高开关速度等特点，SiC-MOSFET的动态性能比传统IGBT要好,即SiC器件相比于基于Si材料的功率器件具有更加优良的开关特性。它能将现有Si器件的开关频率提升数倍，同时开关损耗并没有增加。实施例2：参见图4所示：采用多电平变流器子模块制作的逆变电路，采用IGBT与SiC-MOSFET混合全桥子模块结构设计，包括左支路Z、右支路Y、电容C、电阻R和电抗器G，左支路Z、右支路Y、电容C三者相并联，左支路Z包括2个IGBT元件，第一IGBT元件1和第二IGBT元件2，右支路Y包括2个SiC-MOSFET元件，第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4，第一IGBT元件1、第二IGBT元件2、第一SiC-MOSFET元件3和第二SiC-MOSFET元件4依次桥接，即：第一IGBT元件1的发射极连接第二IGBT元件2的集电极，第二IGBT元件2的发射极连接第二SiC-MOSFET元件4的源极，第二SiC-MOSFET元件4的漏极连接第一SiC-MOSFET元件3的源极，第一SiC-MOSFET元件3的漏极连接第一IGBT元件1的集电极。电容C的正极连接第一IGBT元件1和第一SiC-MOSFET元件3之间的公共点O，电容的负极连接第二IGBT元件2和第二SiC-MOSFET元件4之间的公共点O’。电阻R和电抗器G相串联，电阻R另一端连接第一IGBT元件1和第二IGBT元件之间的公共点A，电抗器另一端连接第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点B。本专利技术所述左支路Z开关元件采用传统的IGBT，右支路Y开关元件则采用新型SiC-MOSFET。IGBT的开关频率为调制波正弦波频率；SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。假设电路中调制波正弦波的频率为f，载波三本文档来自技高网...

【技术保护点】
多电平变流器子模块，包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，第一IGBT元件和第二IGBT元件，其特征在于：右支路包括2个SiC‑MOSFET元件，第一SiC‑MOSFET元件和第二SiC‑MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC‑MOSFET元件和第二SiC‑MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC‑MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC‑MOSFET元件之间的公共点。

【技术特征摘要】
1.多电平变流器子模块，包括左支路、右支路、电容，左支路包括2个IGBT元件，分别是第一IGBT元件和第二IGBT元件，其特征在于：右支路包括2个SiC-MOSFET元件，分别是第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件，第一IGBT元件、第二IGBT元件、第一SiC-MOSFET元件和第二SiC-MOSFET元件依次桥接，电容的正极连接第一IGBT元件和第一SiC-MOSFET元件之间的公共点，电容的负极连接第二IGBT元件和第二SiC-MOSFET元件之间的公共点；IGBT元件的开关频率为调制正弦波频率；右支路第一、第二SiC-MOSFET元件的开关频率为载波三角波频率。2.多电平变流器子模块制作的逆变电路，其特征是:包括电阻、电抗器及权利要求1所述的多电平变流器子模块，电阻和电抗器相串联，电阻另一端连接第一IGBT元件和第二IGBT元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：江斌开，王志新，
申请(专利权)人：嘉兴清源电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33