模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器的制作方法

本实用新型涉及电路电子技术领域，特别是涉及一种模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称为MMC) 中的一个桥臂由多个MMC子模块依次串联组成。

MMC子模块的规格由其所使用的功率半导体器件的耐压规格所决定。

如果MMC子模块所使用的功率半导体器件的耐压规格较高，那么MMC的一个桥臂上的MMC子模块的数量较少，控制较简单。但是，耐压规格较高的功率半导体器件较昂贵，成本较高，造成MMC子模块的成本较高，进而使MMC成本较高。

如果MMC子模块所使用的功率半导体器件的耐压规格较低，那么 MMC的一个桥臂上的MMC子模块的数量较多，控制较复杂。并且旁路开关和母线支撑电容的数量也较多，造成MMC的一个桥臂上的MMC子模块成本较高，体积较大，占地面积较大，进而使MMC成本较高，体积较大，占地面积较大。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

一方面，本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器子模块，包括：全桥电路、第一半桥驱动器、第二半桥驱动器、电容支路和旁路开关；其中，

旁路开关与全桥电路连接；

电容支路与全桥电路并联，电容支路包括串联的第一电容和第二电容；

全桥电路包括串联的第一半桥功率电路和第二半桥功率电路；

第一半桥驱动器与第一半桥功率电路连接；

第二半桥驱动器与第二半桥功率电路连接。

在本实用新型的一个实施例中，旁路开关的一端与第一半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

旁路开关的另一端与第二半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

第一半桥功率电路和第二半桥功率电路的公共端与第一电容和第二电容的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还包括：第三电容；

第三电容的一端与第一半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

第三电容的另一端与第二半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

旁路开关的一端与第一半桥功率电路和第二半桥功率电路的公共端连接；

旁路开关的另一端与第二半桥功率电路和第二电容的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还包括：第一二极管和第二二极管；

第一二极管和第二二极管串联；

第一二极管的负极与第一半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

第二二极管的正极与第二半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

第一二极管和第二二极管串联的公共端与第一电容和第二电容串联的公共端连接；

旁路开关的一端与第一半桥功率电路和第二半桥功率电路的公共端连接；

旁路开关的另一端与第二半桥功率电路和第二电容的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还包括：中点箝位半桥功率电路和中点箝位半桥驱动器；

中点箝位半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端与第一电容和第二电容串联的公共端连接；

中点箝位半桥功率电路的一端与第一半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

中点箝位半桥功率电路的另一端与第二半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件的公共端连接；

中点箝位半桥驱动器分别与中点箝位半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件连接；

旁路开关的一端与第一半桥功率电路和第二半桥功率电路的公共端连接；

旁路开关的另一端与第二半桥功率电路和第二电容的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，中点箝位半桥驱动器，用于驱动中点箝位半桥功率电路包括的串联的两个功率半导体器件关断不导通。

在本实用新型的一个实施例中，第一半桥驱动器和第二半桥驱动器为：基于直接驱动模式的半桥驱动器；

第一半桥驱动器和第二半桥驱动器，用于驱动第一半桥功率电路中的与第一电容连接的功率半导体器件和第二半桥功率电路中的与第二电容连接的功率半导体器件互锁；以及用于驱动第一半桥功率电路中的不与第一电容连接的功率半导体器件和第二半桥功率电路中的不与第二电容连接的功率半导体器件互锁。

另一方面，本实用新型实施例提供一种模块化多电平换流器，包括本实用新型实施例提供的模块化多电平换流器子模块。

本实用新型实施例的模块化多电平换流器子模块及模块化多电平换流器，能够输出多电平，另外可以使用耐压规格较低的功率半导体器件，由于耐压规格较低的功率半导体器件体积较小，价格较便宜，因此，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

附图说明

下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第一种结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第二种结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例提供的MMC级联三相的第一种拓扑示意图；

图4示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第三种结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例提供的MMC级联三相的第二种拓扑示意图；

图6示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第四种结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例提供的MMC级联三相的第三种拓扑示意图；

图8示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第五种结构示意图；

图9示出了本实用新型实施例提供的MMC级联三相的第四种拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底端”、“顶端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1示出了本实用新型实施例的MMC子模块的第一种结构示意图。 MMC子模块包括：全桥电路101、第一半桥驱动器102、第二半桥驱动器 103、电容支路104和旁路开关105。

旁路开关105与全桥电路101连接。

电容支路104与全桥电路101并联，电容支路104包括串联的第一电容C1和第二电容C2。

全桥电路101包括串联的第一半桥功率电路11和第二半桥功率电路 12。

第一半桥驱动器102与第一半桥功率电路11连接。

第二半桥驱动器103与第二半桥功率电路12连接。

在本实用新型的一个实施例中，第一半桥功率电路11包括：串联的两个功率半导体器件T1和T2，以及与T1反向并联的二极管D1、与T2 反向并联的二极管D2。其中，T1的发射极与T2的集电极连接。

第二半桥功率电路12包括：串联的两个功率半导体器件T3和T4，以及与T3反向并联的二极管D3、与T4反向并联的二极管D4。其中，T3的发射极与T4的集电极连接。

T2的发射极与T3的集电极连接。

T1的集电极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与T4的发射极连接。

第一半桥驱动器102分别与功率半导体器件T1和T2连接。

第二半桥驱动器103分别与功率半导体器件T3和T4连接。

在本实用新型的一个实施例中，功率半导体器件可以为以下所列项中的任意一种：

绝缘栅极双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)、电子注入增强型栅极晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)、静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor，SITH)、功率场效应晶体管 (Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，Power MOSFET)。

在本实用新型的一个实施例中，第一电容C1和第二电容C2的电压规格可以相同。假设第一电容C1和第二电容C2的电压规格为Uc。

在本实用新型的一个实施例中，第一半桥驱动器和第二半桥驱动器为：基于直接驱动模式的半桥驱动器。

第一半桥驱动器102和第二半桥驱动器103，用于驱动功率半导体器件T1和T4互锁，以及T2和T3互锁；即T1和T4不同时导通，T2和T3 不同时导通。

在本实用新型的一个实施例中，旁路开关105的一端与第一半桥功率电路11包括的串联的两个功率半导体器件T1和T2的公共端连接；旁路开关105的另一端与第二半桥功率电路12包括的串联的两个功率半导体器件T3和T4的公共端连接；第一半桥功率电路11和第二半桥功率电路 12的公共端与第一电容C1和第二电容C2的公共端连接。如图2所示，图 2示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第二种结构示意图。

当电流正向且电流流经二极管D1、第一电容C1、第二电容C2和二极管D4时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流正向且电流流经二极管D1、第一电容C1和功率半导体器件 T3时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T2、第二电容C2和二极管 D4时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T2和功率半导体器件T3时，旁路开关105两端的电压为0。

当电流负向且电流流经功率半导体器件T4、第二电容C2、第一电容 C1和功率半导体器件T1时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流负向且电流流经二极管D3、第一电容C1和功率半导体器件 T1时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流负向且电流流经功率半导体器件T4、第二电容C2和二极管 D2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流负向且电流流经二极管D3和二极管D2时，旁路开关105两端的电压为0。

本实用新型实施例还提供一种MMC，包括本实用新型实施例图2所示的MMC子模块。图3示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的第一种拓扑示意图。其中，MMC包括正直流母线、负直流母线、六个电感和六个桥臂，其中，每一个桥臂由本实用新型实施例图2所示的MMC子模块串联组成。其中，一个桥臂与两个电感串联后再与另一桥臂进行串联，然后再连接于正直流母线和负直流母线之间，串联的两个电感之间的连接点与三相电中的一相连接。

本实用新型实施例提供的MMC，能够输出多电平，另外可以使用耐压规格较低的功率半导体器件，由于耐压规格较低的功率半导体器件体积较小，价格较便宜，因此，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还可以包括：第三电容C3。如图4所示，图4示出了本实用新型实施例提供的 MMC子模块的第三种结构示意图。

第三电容C3的一端与第一半桥功率电路11包括的串联的两个功率半导体器件T1和T2的公共端连接。

第三电容C3的另一端与第二半桥功率电路12包括的串联的两个功率半导体器件T3和T4的公共端连接。

旁路开关105的一端与第一半桥功率电路11和第二半桥功率电路12 的公共端连接。

旁路开关105的另一端与第二半桥功率电路12和第二电容C2的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，第三电容C3、第一电容C1和第二电容C2的电压规格均相同。

当电流正向且电流流经二极管D2、二极管D1、第一电容C1、第二电容C2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流正向且电流流经二极管D2、第三电容C3和功率半导体器件 T4时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T3和功率半导体器件T4时，旁路开关105两端的电压为0。

当电流负向且电流流经第二电容C2、第一电容C1、功率半导体器件 T1和功率半导体器件T2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流负向且电流流经二极管D4、第三电容C3和功率半导体器件 T2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流负向且电流流经二极管D4和二极管D3时，旁路开关105两端的电压为0。

本实用新型实施例还提供一种MMC，包括本实用新型实施例图4所示的MMC子模块。图5示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的第二种拓扑示意图。其中，MMC包括正直流母线、负直流母线、六个电感和六个桥臂，其中，每一个桥臂由本实用新型实施例图4所示的MMC子模块串联组成。其中，一个桥臂与两个电感串联后再与另一桥臂进行串联，然后再连接于正直流母线和负直流母线之间，串联的两个电感之间的连接点与三相电中的一相连接。

本实用新型实施例提供的MMC，能够输出多电平，另外可以使用耐压规格较低的功率半导体器件，由于耐压规格较低的功率半导体器件体积较小，价格较便宜，因此，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还可以包括：第一二极管D100和第二二极管D200。如图6所示，图6示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第四种结构示意图。

第一二极管D100和第二二极管D200串联。

第一二极管D100的负极与第一半桥功率电路11包括的串联的两个功率半导体器件T1和T2的公共端连接。

第二二极管D200的正极与第二半桥功率电路12包括的串联的两个功率半导体器件T3和T4的公共端连接。

第一二极管D100和第二二极管D200串联的公共端与第一电容C1和第二电容C2串联的公共端连接。

旁路开关105的一端与第一半桥功率电路11和第二半桥功率电路12 的公共端连接。

旁路开关105的另一端与第二半桥功率电路12和第二电容C2的公共端连接。

当电流正向且电流流经二极管D2、二极管D1、第一电容C1、第二电容C2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T3、第二二极管D200和第二电容C2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T3和功率半导体器件T4时，旁路开关105两端的电压为0。

当电流负向且电流流经第二电容C2、第一电容C1、功率半导体器件 T1和功率半导体器件T2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流负向且电流流经第二电容C2、第一二极管D100和功率半导体器件T2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流负向且电流流经二极管D4和二极管D3时，旁路开关105两端的电压为0。

本实用新型实施例还提供一种MMC，包括本实用新型实施例图6所示的MMC子模块。图7示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的第三种拓扑示意图。其中，MMC包括正直流母线、负直流母线、六个电感和六个桥臂，其中，每一个桥臂由本实用新型实施例图6所示的MMC子模块串联组成。其中，一个桥臂与两个电感串联后再与另一桥臂进行串联，然后再连接于正直流母线和负直流母线之间，串联的两个电感之间的连接点与三相电中的一相连接。

本实用新型实施例提供的MMC，能够输出多电平，另外可以使用耐压规格较低的功率半导体器件，由于耐压规格较低的功率半导体器件体积较小，价格较便宜，因此，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

在本实用新型的一个实施例中，模块化多电平换流器子模块还可以包括：中点箝位半桥功率电路106和中点箝位半桥驱动器107。如图8所示，图8示出了本实用新型实施例提供的MMC子模块的第五种结构示意图。

中点箝位半桥功率电路106包括：串联的两个功率半导体器件T5和 T6，以及与T5反向并联的二极管D5、与T6反向并联的二极管D6。T5 的发射极与T6的集电极连接。

中点箝位半桥功率电路106包括的串联的两个功率半导体器件T5和 T6的公共端与第一电容C1和第二电容C2串联的公共端连接。

第一半桥功率电路11包括的串联的两个功率半导体器件T1和T2的公共端与中点箝位半桥功率电路106的一端连接。即第一半桥功率电路11 包括的串联的两个功率半导体器件T1和T2的公共端与T5的集电极连接。

第二半桥功率电路12包括的串联的两个功率半导体器件T3和T4的公共端与中点箝位半桥功率电路106的另一端连接。即第二半桥功率电路 12包括的串联的两个功率半导体器件T3和T4的公共端与T6的发射极连接。

中点箝位半桥驱动器107分别与中点箝位半桥功率电路106包括的串联的两个功率半导体器件T5和T6连接。

旁路开关105的一端与第一半桥功率电路11和第二半桥功率电路12 的公共端连接。

旁路开关105的另一端与第二半桥功率电路12和第二电容C2的公共端连接。

在本实用新型的一个实施例中，中点箝位半桥驱动器107，用于驱动中点箝位半桥功率电路106包括的串联的两个功率半导体器件T5和T6关断不导通。

当电流正向且电流流经二极管D2、二极管D1、第一电容C1、第二电容C2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T3、二极管D6和第二电容 C2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流正向且电流流经功率半导体器件T3和功率半导体器件T4时，旁路开关105两端的电压为0。

当电流负向且电流流经第二电容C2、第一电容C1、功率半导体器件 T1和功率半导体器件T2时，旁路开关105两端的电压为2Uc。

当电流负向且电流流经第二电容C2、二极管D5和功率半导体器件 T2时，旁路开关105两端的电压为Uc。

当电流负向且电流流经二极管D4和二极管D3时，旁路开关105两端的电压为0。

本实用新型实施例还提供一种MMC，包括本实用新型实施例图8所示的MMC子模块。图9示出了本实用新型实施例的MMC级联三相的第四种拓扑示意图。其中，MMC包括正直流母线、负直流母线、六个电感和六个桥臂，其中，每一个桥臂由本实用新型实施例图8所示的MMC子模块串联组成。其中，一个桥臂与两个电感串联后再与另一桥臂进行串联，然后再连接于正直流母线和负直流母线之间，串联的两个电感之间的连接点与三相电中的一相连接。

本实用新型实施例提供的MMC，能够输出多电平，另外可以使用耐压规格较低的功率半导体器件，由于耐压规格较低的功率半导体器件体积较小，价格较便宜，因此，能够减少成本、体积和占地面积，并且能够提高电能质量。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。