一种改进型飞跨电容MMC拓扑及其调制策略的制作方法

本发明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。

背景技术：

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，本发明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，本发明提出了一种基于本发明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，与所有子模块均采用sicmosfet的mmc相比，显著降低了成本；同时在改进调制策略下，可以获得优于全部采用sicmosfet开关器件的飞跨电容mmc的性能。

2、本发明所提出的一种改进型飞跨电容mmc拓扑及其改进调制策略，sic子模块采用全桥子模块拓扑，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且sic子模块电容电压偏高时，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。同时整数投入子模块数加一，以稳定半桥臂电压。

3、本发明所提供的一种改进型飞跨电容mmc拓扑的改进调制策略。传统飞跨电容式mmc采用载波移相调制策略，各子模块开关器件与开关频率保持一致，为了维持半桥臂电压中高频成分波形质量，开关频率较高，损耗较大。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的改进型飞跨电容mmc拓扑的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的改进型飞跨电容mmc拓扑的调制策略流程图；

图3(a)为本发明实施例2提供的半桥臂电压与半桥臂电压的整数部分的波形图；

图3(b)为本发明实施例2提供的半桥臂电压与半桥臂电压的小数部分的波形图；

图4(a)为采用新拓扑与调制策略的飞跨电容mmc结果图；

图4(b)为采用传统拓扑与调制策略的飞跨电容mmc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。

本发明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。

本发明调制策略中，半桥臂电压调制波分为整数部分与小数部分，通过控制sic子模块的投切状态，使sic子模块工作在pwm模式，输出各半桥臂电压的小数部分；通过控制整数投入子模块数个si子模块使其工作在nlm模式，生成半桥臂电压阶梯波，最终两者结合构成了半桥臂电压，上半桥臂电压与下半桥臂电压之和构成全桥臂电压。在改进的调制策略中，调制过程分为两个部分，大部分开关动作集中在sic子模块上，si子模块的投切频率显著降低，为维持桥臂电压中高频分量的波形质量，只需增大sic子模块的开关频率而不影响si子模块，同时每个半桥臂只包含1个sic子模块，显著降低了成本，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，降低了飞跨电容mmc的总损耗，效率较高。

本发明还提出了一种基于上述改进型飞跨电容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。

实施例1

一种改进型飞跨电容mmc拓扑，如图1所示，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括n个子模块(n为偶数)，由飞跨电容划分为上半桥臂和下半桥臂，每个半桥臂包括一个sic子模块(sm1)和n/2-1个si子模块(sm2-smn/2)，各子模块串联；sic子模块采用sicmosfet开关器件；si子模块采用siigbt开关器件；控制模块的输出端分别与各子模块开关器件相连；

控制模块作用于各子模块开关器件上，根据飞跨电容mmc的反馈信号生成与每个半桥臂对应的电压参考值，并将其分为整数部分和小数部分，由此计算出每个半桥臂对应的整数投入子模块数和小数投入子模块数，并生成在0-1区间波动的三角载波，确定sic子模块的正负投入状态与投切状态，使sicmosfet工作在pwm模式；采用nlm调制对整数投入子模块数个si子模块的投切状态进行调制；

上半桥臂和下半桥臂均基于sic子模块的投切状态产生小数部分半桥臂电压，基于si子模块的投切状态产生整数部分半桥臂电压，并将所得小数部分半桥臂电压和整数部分半桥臂电压相结合，输出整个半桥臂电压。上半桥臂电压与下半桥臂电压结合得到全桥臂电压。

实施例2

一种基于本发明实施例1所提出的改进型飞跨电容mmc拓扑的调制策略，如图2所示，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子模块进行排序，以维持桥臂中si子模块电容电压的均衡；

具体的，如图1所示，以a相上桥臂的下半桥臂为例，基于下半桥臂电流ia,p2、下半桥臂电压ua,p2计算下半桥臂si子模块电容的充放电标志位flaga,p2＝ia,p2ua,p2，其中，各半桥臂中si子模块电容的充放电标志位均相同，计算一个si子模块的充放电标志位即可得到该半桥臂中其他si子模块的充放电状态。当flaga,p2大于等于0时，下半桥臂si子模块电容为充电状态，对下半桥臂si子模块按照电容电压的升序进行排序；当flaga,p2小于0时，下半桥臂si子模块电容为放电状态，对下半桥臂子模块按照各子模块电容电压的降序进行排序。上半桥臂中si子模块的排序方法与下半桥臂的相同，这里不再赘述。

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，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和小数投入子模块数；

具体地，分别根据上、下半桥臂电压和子模块额定电容电压计算上、下半桥臂整数投入子模块数，以及上、下半桥臂小数投入子模块数；其中，整数投入子模块数是整数，用来表示投入多少si子模块来得到半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子模块以相应的占空比工作在pwm模式以断续输出子模块电容电压，得到半桥臂电压的小数部分。

以下半桥臂为例，整数投入子模块数nsi和小数投入子模块数nsic的计算公式如下：

其中，uarm为半桥臂电压参考值，uc为子模块额定电容电压。

上半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半桥臂相同。

s3、分别由控制模块生成与各半桥臂的sic子模块对应的在0-1区间波动的三角载波，且在各半桥臂中，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瞬时值与三角载波信号瞬时值的比较结果，控制sic子模块的输出电平，输出各半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，输出其半桥臂电压的整数部分，从而输出整个半桥臂电压；上下半桥臂电压结合得到全桥臂电压；

具体地，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：

整数投入子模块数应小于等于半桥臂中si子模块总数；

当整数投入子模块数小于半桥臂中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；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。具体的，以下桥臂为例，图3(a)为下半桥臂电压调制波波形图。其中，正弦波为半桥臂电压调制波，可分为整数部分半桥臂电压与小数部分半桥臂电压。由整数部分半桥臂电压与小数部分半桥臂电压可计算si子模块投入数nsi与sic子模块投入数nsic。半桥臂电压中的si子模块投入数nsi如图3(a)中的阶梯波所示，小数部分sic子模块投入数nsic如图3(b)中在-1和1之间波动的波形所示。其中，图3(a)与图3(b)中虚线对应sic子模块负投入时的整数子模块投入数与小数子模块投入数。

半桥臂中有n/2个子模块，其中包括n/2-1个si子模块与1个sic子模块，si子模块输出半桥臂电压整数部分，sic子模块输出半桥臂电压小数部分。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3(b)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3(a)中虚线所示。若整数投入子模块数已达到n/2-1(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。

进一步地，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法，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。

s4、分别在各半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，通过仿真验证了所提出的改进调制策略的可行性，仿真结果如图4(a)-(b)所示。其中，图4(a)为改进调制策略下飞跨电容mmc输出电压波形与开关信号波形，uo为飞跨电容mmc输出电压，ssm1为上半桥臂中sic子模块开关信号，ssm2为上半桥臂中si子模块开关信号；图4(b)为传统调制策略下飞跨电容mmc输出电压波形与开关信号波形，uo为飞跨电容mmc输出电压，ssm1和ssm2为上半桥臂中子模块开关信号。其中，开关信号的每一次跳变表示子模块的一次开关动作。从图中可以看出，在传统载波移相调制策略下各个子模块采用相同的拓扑，且开关频率一致(仿真中取2khz)，而新调制策略下sic子模块(sm1)的开关频率明显高于si子模块(sm2)，pwm调制固定在sic子模块中，在维持飞跨电容mmc输出特性同时大大降低了si子模块的开关频率，利用了sicmosfet开关损耗较低的特点，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。