本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

西門子公司提出的模塊化多電平換流器(MMC)，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電壓及功率等級(jí)的靈活變化，并且可以擴(kuò)展到任意電平輸出，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，因此具有良好的應(yīng)用前景。

通常，模塊化多電平換流器子模塊由兩個(gè)開關(guān)管組成一個(gè)逆變半橋的結(jié)構(gòu)，另外包括子模塊儲(chǔ)能電容器。但是現(xiàn)有技術(shù)中由于模塊化多電平換流器中子模塊個(gè)數(shù)較多，因此產(chǎn)生的總開關(guān)損耗相對(duì)較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效降低多電平換流器的總開關(guān)損耗。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括半橋逆變電路和電容C1，所述半橋逆變電路包括上半橋電路和下半橋電路，所述上半橋電路與下半橋電路連接，所述電容C1的一端與上半橋電路連接，所述電容C1的另一端與下半橋電路連接，所述上半橋電路包括上半橋開關(guān)管和晶體管MOSFET1，所述上半橋開關(guān)管與晶體管MOSFET1并聯(lián)，所述下半橋電路包括下半橋開關(guān)管和晶體管MOSFET2，所述下半橋開關(guān)管與晶體管MOSFET2并聯(lián)。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述上半橋開關(guān)管為由晶體管IGBT1和與晶體管IGBT1反并聯(lián)的二極管D1組成，所述下半橋開關(guān)管為由晶體管IGBT2和與晶體管IGBT2反并聯(lián)的二極管D2組成。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述晶體管IGBT1的集電極分別與晶體管MOSFET1的漏極、二極管D1的陰極和電容C1的一端連接，所述晶體管IGBT1的發(fā)射極分別與晶體管MOSFET1的源極、二極管D1的陽(yáng)極、晶體管IGBT2的集電極、晶體管MOSFET2的漏極和二極管D2的陰極連接，所述晶體管IGBT2的發(fā)射極分別與晶體管MOSFET2的源極、二極管D2的陽(yáng)極和電容C1的另一端連接。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，還包括IGBT1驅(qū)動(dòng)器、IGBT2驅(qū)動(dòng)器、MOSFET1驅(qū)動(dòng)器和MOSFET2驅(qū)動(dòng)器，所述IGBT1驅(qū)動(dòng)器與晶體管IGBT1連接，所述IGBT2驅(qū)動(dòng)器與晶體管IGBT2連接，MOSFET1驅(qū)動(dòng)器與晶體管MOSFET1連接，MOSFET2驅(qū)動(dòng)器與晶體管MOSFET2連接。

上半橋電路在開態(tài)時(shí)，晶體管MOSFET1和晶體管IGBT1同時(shí)傳導(dǎo)，由于晶體管IGBT1的導(dǎo)通電阻小，開態(tài)壓降小，因而傳導(dǎo)大部分的電流，而晶體管MOSFET1只傳導(dǎo)小部分的電流。然后IGBT1驅(qū)動(dòng)器控制晶體管IGBT1先關(guān)斷,負(fù)載電流被轉(zhuǎn)移到晶體管MOSFET1中；雖然晶體管IGBT1仍有尾巴電流，但是由于晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1并聯(lián)傳導(dǎo)，晶體管IGBT1的終端電壓保持在很低的值；因而晶體管IGBT1的關(guān)斷的損耗大大降低了；經(jīng)過一小段時(shí)間延遲后，MOSFET1驅(qū)動(dòng)器控制晶體管MOSFET1也關(guān)斷。晶體管IGBT1實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷軟開關(guān)模式。同理下半橋電路在開態(tài)時(shí)，晶體管IGBT2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷軟開關(guān)模式；因此本實(shí)用新型有效的降低了模塊化多電平換流器子模塊的開關(guān)損耗，從而能夠有效降低模塊化多電平換流器的總開關(guān)損耗。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的晶體管IGBT1電流示意圖、晶體管MOSFET1電流示意圖和晶體管IGBT1電壓示意圖。

圖3為含有本實(shí)用新型的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)圖1和圖2對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步說明：

參見圖1，一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括半橋逆變電路和電容C1，所述半橋逆變電路包括上半橋電路和下半橋電路，所述上半橋電路與下半橋電路連接，所述電容C1的一端與上半橋電路連接，所述電容C1的另一端與下半橋電路連接，所述上半橋電路包括上半橋開關(guān)管和晶體管MOSFET1，所述上半橋開關(guān)管與晶體管MOSFET1并聯(lián)，所述下半橋電路包括下半橋開關(guān)管和晶體管MOSFET2，所述下半橋開關(guān)管與晶體管MOSFET2并聯(lián)。

本實(shí)施例中，所述上半橋開關(guān)管為由晶體管IGBT1和與晶體管IGBT1反并聯(lián)的二極管D1組成，所述下半橋開關(guān)管為由晶體管IGBT2和與晶體管IGBT2反并聯(lián)的二極管D2組成。

本實(shí)施例中，所述晶體管IGBT1的集電極分別與晶體管MOSFET1的漏極、二極管D1的陰極和電容C1的一端連接，所述晶體管IGBT1的發(fā)射極分別與晶體管MOSFET1的源極、二極管D1的陽(yáng)極、晶體管IGBT2的集電極、晶體管MOSFET2的漏極和二極管D2的陰極連接，所述晶體管IGBT2的發(fā)射極分別與晶體管MOSFET2的源極、二極管D2的陽(yáng)極和電容C1的另一端連接。

本實(shí)施例中，還包括IGBT1驅(qū)動(dòng)器、IGBT2驅(qū)動(dòng)器、MOSFET1驅(qū)動(dòng)器和MOSFET2驅(qū)動(dòng)器，所述IGBT1驅(qū)動(dòng)器與晶體管IGBT1連接，所述IGBT2驅(qū)動(dòng)器與晶體管IGBT2連接，MOSFET1驅(qū)動(dòng)器與晶體管MOSFET1連接，MOSFET2驅(qū)動(dòng)器與晶體管MOSFET2連接。

本實(shí)施例中，晶體管MOSFET1和晶體管MOSFET2均為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，晶體管IGBT1和晶體管IGBT2均為絕緣柵雙極型晶體管，電容C1為儲(chǔ)能電容器。

需要在此說明的是，上半橋開關(guān)管中的晶體管IGBT1與其并聯(lián)的晶體管MOSFET1共用一個(gè)二極管D1；下半橋開關(guān)管中的晶體管IGBT2與其并聯(lián)的晶體管MOSFET2共用一個(gè)二極管D2。

具體地，上半橋開關(guān)管中的晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1并聯(lián)起來。在開態(tài)時(shí)，晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1同時(shí)傳導(dǎo)，由于晶體管IGBT1的導(dǎo)通電阻小，開態(tài)壓降小，因而傳導(dǎo)大部分的電流，而晶體管MOSFET1只傳導(dǎo)小部分的電流。然后晶體管IGBT1先關(guān)斷,負(fù)載電流被轉(zhuǎn)移到晶體管MOSFET1中。雖然晶體管IGBT1仍有尾巴電流，但是由于晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1并聯(lián)傳導(dǎo)，晶體管IGBT1的終端電壓保持在很低的值。因而晶體管IGBT1的關(guān)斷損耗大大降低了。經(jīng)過一小段時(shí)間延遲后，晶體管MOSFET1也關(guān)斷。晶體管IGBT1實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷軟開關(guān)模式。

具體地，下半橋開關(guān)管中的晶體管IGBT2和晶體管MOSFET2并聯(lián)起來。在開態(tài)時(shí)，晶體管IGBT2和晶體管MOSFET2同時(shí)傳導(dǎo)，由于晶體管IGBT2的導(dǎo)通電阻小，開態(tài)壓降小，因而傳導(dǎo)大部分的電流，而晶體管MOSFET2只傳導(dǎo)小部分的電流。然后晶體管IGBT2先關(guān)斷,負(fù)載電流被轉(zhuǎn)移到晶體管MOSFET2中，雖然晶體管IGBT2仍有尾巴電流，但是由于晶體管IGBT2和晶體管MOSFET2并聯(lián)傳導(dǎo)，晶體管IGBT2的終端電壓保持在很低的值。因而晶體管IGBT2的關(guān)斷損耗大大降低了。經(jīng)過一小段時(shí)間延遲后，晶體管MOSFET2也關(guān)斷。晶體管IGBT2實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷軟開關(guān)模式。

需要在此說明的是，晶體管MOSFET1的開關(guān)狀態(tài)是由MOSFET1驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制的，晶體管MOSFET2的開關(guān)狀態(tài)是由MOSFET2驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制的，晶體管IGBT1的開關(guān)狀態(tài)是由IGBT1驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制的，晶體管IGBT2的開關(guān)狀態(tài)是由IGBT2驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制的。MOSFET1驅(qū)動(dòng)器和IGBT1驅(qū)動(dòng)器使晶體管MOSFET1和晶體管IGBT1同時(shí)導(dǎo)通，而晶體管MOSFET1在晶體管IGBT1關(guān)斷之后延遲一小段時(shí)間后再關(guān)斷。MOSFET2驅(qū)動(dòng)器和IGBT2驅(qū)動(dòng)器使晶體管MOSFET2和晶體管IGBT2同時(shí)導(dǎo)通，而晶體管MOSFET2在晶體管IGBT2關(guān)斷之后延遲一小段時(shí)間后再關(guān)斷。

參見圖2，本實(shí)用新型的實(shí)施例根據(jù)晶體管IGBT1與晶體管MOSFET1關(guān)斷時(shí)間的不同可以定義不同的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)交流電壓U_sm的電壓為正向時(shí)，上半橋電路導(dǎo)通，下半橋電路斷路:

狀態(tài)1：圖2表示的T₀～T₁時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)；

具體地，在T₀時(shí)刻，IGBT1驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)晶體管IGBT1, MOSFET1驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)晶體管MOSFET1,晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1同時(shí)被導(dǎo)通, 由于晶體管IGBT1的導(dǎo)通電阻小,開態(tài)壓降小,因而傳導(dǎo)大部分的電流，而晶體管MOSFET1只傳導(dǎo)一小部分的電流。

狀態(tài)2：圖2表示的T₁～T₂時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)；

具體地，在T₁時(shí)刻，晶體管MOSFET1保持開通而晶體管IGBT1關(guān)斷，晶體管IGBT1的電流I_IGBT開始下降，晶體管MOSFET1的電流I_MOSFET上升，經(jīng)過一段時(shí)間的關(guān)斷，晶體管IGBT1的電流I_IGBT變得很小，晶體管MOSFET1的電流I_MOSFET幾乎上升到等于總電流，對(duì)晶體管IGBT1而言，由于晶體管MOSFET1開通，晶體管IGBT1是零電壓無(wú)損關(guān)斷。

狀態(tài)3：圖2表示的T₂時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)；

具體地，在T₂時(shí)刻，晶體管MOSFET1關(guān)斷，晶體管IGBT1的兩端電壓U_IGBT開始上升，晶體管IGBT1的電壓U_IGBT此時(shí)等于電容C1電壓U_C，如果驅(qū)動(dòng)足夠的話，晶體管MOSFET1的關(guān)斷損耗可以忽略。晶體管MOSFET1和晶體管IGBT1均維持關(guān)斷直到另一個(gè)開關(guān)周期開始。

晶體管IGBT2與晶體管MOSFET2關(guān)斷時(shí)間的不同也可以定義不同的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)交流電壓U_sm的電壓為反向時(shí)，上半橋電路斷路，下半橋電路導(dǎo)通，下半橋電路開始工作，下半橋電路中的晶體管MOSFET2和晶體管IGBT2的運(yùn)行狀態(tài)同理上半橋電路中的晶體管MOSFET1和晶體管IGBT1的運(yùn)行狀態(tài)。從晶體管IGBT1和晶體管MOSFET1的運(yùn)行狀態(tài)和晶體管IGBT2與晶體管MOSFET2的整體運(yùn)行狀態(tài)可以看出，本實(shí)施例有效的降低了模塊化多電平換流器子模塊的開關(guān)損耗。

參見圖3，圖3是模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)子模塊SM₁到SM_N都由圖1所示的模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，本實(shí)用新型的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效的降低了模塊化多電平換流器子模塊的開關(guān)損耗，因此圖3的模塊化多電平換流器的總開關(guān)損耗也會(huì)大大降低。

本實(shí)用新型的保護(hù)范圍包括但不限于以上實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對(duì)本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。