一种Si器件与SiC器件混合型MMC及其调制方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种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，本发明提出了一种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，本发明提出了一种基于本发明第一方面所提出的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，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种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、本发明所提供的一种si器件与sic器件混合型mmc，由一个sic子模块与多个si子模块构成。其中sicmosfet价格约为siigbt的8倍，与所有子模块均采用sicmosfet的mmc相比，显著降低了成本。

3、本发明所提出的一种si器件与sic器件混合型mmc的调制方法，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，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，使sic子模块工作在pwm模式；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使siigbt工作在nlm调制模式，从而同时实现对整数和小数投入子模块桥臂电压的调制。通过上述过程，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，并充分利用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。

4、本发明所提出的一种si器件与sic器件混合型mmc的调制方法，sic子模块采用全桥子模块，可进行负投入放电。由于桥臂电流存在偏置，若sic子模块仅正投入，电容电压会飙升，导致各子模块电压分布不均匀，电压集中在sic子模块上而si子模块电压过小，进而导致sicmosfet烧毁。故本发明在整数投入子模块数没有达到最大值时，若sic子模块电容电压偏高，可根据桥臂电流方向进行负投入放电，来稳定sic子模块电容电压。此时整数投入子模块数加一，以稳定桥臂电压。

5、本发明所提出的一种si器件与sic器件混合型mmc的调制方法，si子模块仅在整数投入子模块数变化时才进行新的排序操作，进一步降低了si子模块的开关频率。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的si器件与sic器件混合型mmc的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的si器件与sic器件混合型mmc的调制方法流程图；

图3为本发明实施例2提供的桥臂电压以及桥臂电压的整数部分和小数部分的波形图；其中，图(a)为桥臂电压波形图；图(b)为桥臂电压整数部分的波形图；图(c)为桥臂电压小数部分的波形图；

图4为分别采用传统的nl-pwm和本发明所提供的调制方法调制mmc的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1、

一种si器件与sic器件混合型mmc，如图1所示，包括：上桥臂和下桥臂；上桥臂和下桥臂均包括一个sic子模块(sm1)和多个si子模块(sm2-smn)；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，使sicmosfet工作在pwm模式；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。

实施例2、

一种基于本发明实施例1所提出的si器件与sic器件混合型mmc的调制方法，如图2所示，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，以维持桥臂中si子模块电容电压的均衡；

具体的，以下桥臂为例，基于下桥臂电流iarmn、下桥臂电压uarmn计算下桥臂子模块电容的充放电标志位flagc＝iarmuarm，其中，各桥臂中子模块电容的充放电标志位均相同，计算一个子模块的充放电标志位即可得到各桥臂中各子模块的充放电状态。当flagc大于等于0时，下桥臂子模块电容为充电状态，对下桥臂子模块按照各子模块电容电压的升序进行排序；当flagc小于0时，下桥臂子模块电容为放电状态，对下桥臂子模块按照各子模块电容电压的降序进行排序。上桥臂中子模块的排序方法与下桥臂的相同，这里不再赘述。

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；

具体的，分别根据上、下桥臂电压和上、下桥臂子模块平均额定电容电压计算上、下桥臂整数投入子模块数np、nn，以及上、下桥臂小数投入子模块数np、nn；其中，整数投入子模块数是整数，用来表示采用多少si子模块来得到桥臂电压的整数部分；小数投入子模块数是小数，用来表示sic子模块以几分之几的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。

以下桥臂为例，整数投入子模块数nn和小数投入子模块数nn的计算公式如下：

其中，uarmn为下桥臂电压，为下桥臂子模块平均额定电容电压。

上桥臂整数投入子模块数和小数投入子模块数的计算方法与下桥臂相同。

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；

具体的，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；若sic子模块电压小于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；进一步地，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。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。具体的，以下桥臂为例，如图3所示，其中，图(a)为下桥臂电压波形图，将桥臂电压uref分为整数部分ustep与小数部分upwm，分别如图(b)和图(c)所示。桥臂中有n个子模块，其中包括n-1个si子模块与一个sic子模块，si子模块输出桥臂电压整数部分，sic子模块输出桥臂电压小数部分。由于桥臂电流存在偏置，若sic子模块仅正投入，电容电压会飙升，导致各子模块电压分布不均匀，电压集中在sic子模块上而si子模块电压过小，进而导致sicmosfet烧毁。在si子模块投入数没有达到最大值时，若sic子模块电容电压偏高，即sic子模块电压超过si子模块平均电容电压时，可根据桥臂电流方向进行负投入放电，来稳定sic子模块电容电压。此时si子模块投入数加一，以稳定桥臂电压。具体的，当sic子模块电压超过si子模块平均电容电压时，将sic子模块负投入放电，其调制波如图(c)中虚线所示；此时整数投入子模块数加1，si子模块的调制波如图(b)中虚线所示。若整数投入子模块数已达到n-1(最大值)，则禁止sic子模块进行负投入。本发明通过负投入来增加sic子模块一个周期中放电时长，从而避免了因桥壁电流存在偏置造成的sic子模块电容电压飙升。

进一步的，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。

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。

最后，通过实验验证了所提出的调制策略的可行性以及与传统nl-pwm调制策略的对比，实验结果如图4所示，以虚线为中轴线，左半部分为采用传统nl-pwm调制策略调制mmc的结果，右半部分为采用本发明所提出的调制方法调制mmc的结果；由上至下分别为上桥臂电压up，sic子模块电压usm1，si子模块电压usm2和usm3；其中，子模块电压的每一次跳变表示子模块的一次开关动作，如图中虚线圆中所示。从图中可以看出，传统nl-pwm调制策略中3个子模块的电压跳变次数接近，各子模块开关频率相近，而本发明提出的改进策略将pwm调制固定在了sic子模块中，从而将大部分开关动作转移到了sic子模块之上，如图4的右半部分所示，sm2与sm3中大量的电压跳变集中到了sm1上，sm2与sm3开关动作次数屈指可数。因此本调制策略大大降低了si子模块的开关频率，从而降低总的损耗，效率较高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。