一种使用多态子模块的模块化多电平变换器

摘要

本发明公开了一种使用多态子模块的模块化多电平变换器，子模块基本构造为：在由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管S1和S2以及电容器C构成的半桥模块拓扑基础上，在电容C正极性端并行引出并联侧正端口P3和并联侧负端口P4；其中，桥侧具有桥侧正端口P1和桥侧负端口P2；电容正极性端与并联侧正端口P3之间由两个带反并联二极管的金属‑氧化物半导体场效应开关管S3和S4反向串联构成双向开关。多态子模块拓扑可分别在投入，切除，并联三种模态下运行，实现相邻模块的实时串并联切换，以达到模块电容均压和增大桥臂等效电容的目的，通过全桥臂模块投入运行及串并联选择控制，可以大幅降低变换器整体开关损耗，并获得优良的模块电容均压与脉动抑制效果。

权利要求

1.一种使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于，该变换器使用一种四端多态子模块，该子模块基本构造为：在由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管S1和S2以及电容C构成的半桥模块拓扑基础上，在电容C正极性端并行引出并联侧正端口P3和并联侧负端口P4；其中，桥侧具有桥侧正端口P1和桥侧负端口P2；电容C正极性端与并联侧正端口P3之间由两个带反并联二极管的金属-氧化物半导体场效应开关管S3和S4反向串联构成双向开关；并联侧负端口P4由电容C正极性端直接引出；多态子模块拓扑可分别在投入，切除，并联三种模态下运行，实现相邻模块的实时串并联切换：多态子模块构成模块化多电平变换器时，前一级模块的桥侧负端口P2与后一级模块的桥侧正端口P1连接，前一级模块的并联侧负端口P4与后一级模块的并联侧正端口P3连接，其模块级联具体方式为：

1)除上下桥臂各自首末模块外，前一级模块的桥侧负端口P2与后一级模块的桥侧正端口P1连接，前一级模块的并联侧负端口P4与后一级模块的并联侧正端口P3连接；

2)对上桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与变换器直流侧正极性端相连接，桥侧负端口P2与下一级模块的桥侧正端口P1相连接，并联侧正端口P3不做连接，并联侧负端口P4与下一级模块的并联侧正端口P3相连接；

3)对上桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与下桥臂首模块桥侧正端口P1，并联侧正端口P3与前一级模块的并联侧负端口P4相连接，并联侧负端口P4不做连接；

4)对下桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与上桥臂末模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与下一级模块的桥侧正端口P1相连接，并联侧正端口P3不做连接，并联侧负端口P4与下一级模块的并联侧正端口P3相连接；

5)对下桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与变换器直流侧负极性端相连接，并联侧正端口P3与前一级模块的并联侧负端口P4相连接，并联侧负端口P4不做连接。

2.根据权利要求1所述的使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于：构成变换器的多态模块通过电容端引出的含双向开关的通路，实现与前一级模块内电容并联。

3.根据权利要求1所述的使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于：所述使用多态子模块的模块化多电平变换器实施全桥臂模块投入运行,即电平变化时模块不切除，而是选择性分配并联，桥臂内模块仅处于并联态或投入态。

4.根据权利要求1所述的多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于：所述使用多态子模块的模块化多电平变换器通过结对并联，实现模块化多电平变换器的启动预充电。

说明书

一种使用多态子模块的模块化多电平变换器

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子设备，尤其涉及一种使用多态子模块的模块化多电平变换器背景技术

[0002] 模块化多电平变换器自提出以来，由于其结构高度模块化且易于扩展，并有着良好的冗余特性与灵活的配置方法，可以有效地实现高电压等级下的电能变换，主要应用于静止无功补偿，高压直流输电和高压大功率电机调速领域。

[0003] 但是，由于模块化多电平变换器的模块间相互独立且电气参数存在差异，极易发生子模块电容电压脉动与不平衡现象，电容电压脉动与交流侧电流幅值成正比，且与交流侧频率及模块电容成反比，如不采取适宜的控制措施，会在较高的交流侧电流或较低的交流侧频率下失稳，甚至进一步造成器件损坏。这极大的限制了模块化多电平变换器在中高压电机变速驱动领域的应用。

[0004] 现有模块化多电平变换器的子模块拓扑主要有半桥拓扑和全桥拓扑两种，半桥拓扑应用最多，半桥拓扑可以双向通流，但只能输出单一极性电压，故只能两象限工作，故此无法改变通过电容的电流方向，脉动抑制能力弱。全桥拓扑则可以四象限运行，在结构上决定了其具有电容充放电切换和直流短路阻断能力，可以极大的增强对模块电容电压脉动的抑制能力，但全桥拓扑除了在器件上增加了成本，还同时带来了成倍的通态损耗和开关损耗，因此使用全桥拓扑会使变换器的器件成本和运行成本成倍增加。

[0005] 现有的模块化多电平变换器的调制方式主要有阶梯波调制和载波移相调制等，对于抑制子模块电压脉动采取的主要方式是依据桥臂电流方向切换选择投切的子模块，从而保证子模块电容电压偏移在容许范围内，传统方式对电压脉动的控制能力是以提高开关频率为保证的，这很大程度上增加了模块的开关损耗。不仅如此，基于载波移相PWM调制方法，每个子模块对应一个载波，其控制计算量随电平数增加而显著提升，相位差的控制精度也会下降，因此难以提升输出电压。阶梯波调制计算量小，开关频率较低，易于实现，但同时带来的是对电压脉动的抑制能力下降，并且，桥臂内模块均压排序算法的会给控制器带来很大负担，对于电平数较多的变换器来说，尤为显著。

[0006] 现有技术的主要问题在于以增加损耗(包括通态损耗及开关损耗)换取有限的脉动抑制能力，且同时限制多电平变换器的电平数，控制器计算量较大，极大地限制了模块化多电平变换器在中高压领域的应用。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种控制更为灵活的且损耗较低的变换器拓扑结构，其使用的多态子模块具有投入，切出，并联，共三种工作状态，可以适应更加灵活的控制方式，相较于传统半桥模块组成的模块化多电平变换器，该变换器具有较强的子模块电容电压脉动抑制能力，而且通过运行中使用并联态，可以大幅度降低变换器的开关损耗，尤其适用于作为有调速需求的电机驱动电源。

[0008] 本发明为实现发明目的，所采用的技术方案是：

[0009] 一种使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于，该变换器使用一种四端多态子模块，该子模块基本构造为：在由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管S1和S2以及电容器C构成的半桥模块拓扑基础上，在电容C正极性端并行引出并联侧正端口P3和并联侧负端口P4；其中，桥侧具有桥侧正端口P1和桥侧负端口P2；电容正极性端与并联侧正端口P3之间由两个带反并联二极管的金属-氧化物半导体场效应开关管S3和S4反向串联构成双向开关；并联侧负端口P4由电容正极性端直接引出；多态子模块拓扑可分别在投入，切除，并联三种模态下运行，实现相邻模块的实时串并联切换；

[0010] 上述多态子模块构成模块化多电平变换器时，前一级模块的桥侧负端口P2与后一级模块的桥侧正端口P1连接，前一级模块的并联侧负端口P4与后一级模块的并联侧正端口P3连接，其模块级联具体方式为：

[0011] 1)除上下桥臂各自首末模块外，前一级模块的桥侧负端口P2与后一级模块的桥侧正端口P1连接，前一级模块的并联侧负端口P4与后一级模块的并联侧正端口P3连接；

[0012] 2)对上桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与变换器直流侧正极性端相连接，桥侧负端口P2与下一级模块的桥侧正端口P1相连接，并联侧正端口P3不做连接，并联侧负端口P4与下一级模块的并联侧正端口P3相连接；

[0013] 3)对上桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与下桥臂首模块桥侧正端口P1，并联侧正端口P3与前一级模块的并联侧负端口P4相连接，并联侧负端口P4不做连接；

[0014] 4)对下桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与上桥臂末模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与下一级模块的桥侧正端口P1相连接，并联侧正端口P3不做连接，并联侧负端口P4与下一级模块的并联侧正端口P3相连接；

[0015] 5)对下桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口P2相连接，桥侧负端口P2与变换器直流侧负极性端相连接，并联侧正端口P3与前一级模块的并联侧负端口P4相连接，并联侧负端口P4不做连接。

[0016] 在本发明中，多态子模块的基本结构由传统半桥模块衍生而来，主管S1与S2采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，增加两个反向串联的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)S3与S4作为并联用双向开关，开关S1与S2的导通关断模式与传统模块相同，开关S3与S4使用同一个通断信号，用于开启并联运行态，并增加引出并联侧端口，使得模块变成四端口，在不使用并联开关时，模块的基本运行方式与半桥模块相同，如图1所示。

[0017] 在模块处于非投入状态时，增加的双向开关导通，则该模块与前一级模块可构成并联对，即并联态运行，由于电容并联后电容值加倍，因此，并联对对外具有更强的脉动抑制能力，同时，由于存在电压差的电容并联后会出现能量流动，从而使得能量平均分配，因此并联的两个模块电容电压的不均衡也会被消除，由于并联态使用的是对变换器而言已经切出的模块，因此，不但不影响模块的正常运行，还充分利用了已切出模块，同时，并联态运行并不会增加变换器的稳态损耗。

[0018] 多态模块构成的模块化多电平变换器结构如图2所示，除上下桥臂各自的首模块单元外，其余模块均可实现与前一级并联，而当第二个模块进入并联态时，首模块与第二模块并联，因此，全桥臂每个模块都可实现与相邻模块的并联，换言之，由于模块化多电平变换器运行时根据控制器给定信号输出对应电平，实质上为投入的模块数，因此，传统运行方式中所切除的模块可以全部变为并联态，即桥臂中模块仅有投入与并联两种运行态，因此，所有模块或并联或串联在桥臂内，为全模块运行模式。

[0019] 全模块运行模式可以显著提高运行中对模块电容电压脉动的抑制能力，这是因为，无论是交流侧电流幅值对电容电压脉动的影响，还是交流侧频率对电容电压脉动的影响，本质上说，都是由于单位时间内上(下)桥臂内的能量注入(输出)过大，引起电容电压脉动超出容许区间，高次共模电压注入等方法，都是在单位时间内，通过改变能量流向，从而抑制电容电压脉动。换言之，提升桥臂对能量注入(输出)的负荷能力，即等效桥臂电容，就可以同样达到抑制电容电压脉动的效果。多态模块拥有并联态，也就拥有了桥臂内模块间能量传递的能力，同时，通过并联的方式，增大了总桥臂电容，尤其在所需电平数小于桥臂模块二分之一时，这时，可以保证每个投入模块都至少有一个模块与其并联，总桥臂电容变为传统方式下的两倍以上，大幅提升了桥臂的单位时间能量注入(输出)的负荷能力，从而大幅改善低频特性。

[0020] 而另一方面，并联态的使用可以大幅降低变换器的总体开关损耗，以五电平变换器上桥臂为例，若该时刻投入单元数目为3，下一时刻投入单元数目为2时，假设前一控制周期内电流方向不变且足够引起单模块电容电压上升，开关状态变化如图3所示(阴影区域表示发生动作的开关管)，对于由模块构成的全模块运行态的变换器而言，只需要将第二个单元由投入态转为并联态，即可保证桥臂电容倍增同时消除电压差，而对于使用排序方式均压的控制方法而言，由于考虑到控制周期内的通流已改变各模块电压高低顺序，因此，最为可能的开关状态变化为，该时刻已投入的三个模块中，电压最高的两个被切除，而该时刻未投入的模块在下一时刻被投入。这种情况在负载电流较大时尤为明显，而可并联模块拓扑通过将模块在“并联——投入”两种运行态中切换，很大程度上将主管(IGBT)所需的开关动作转移到了用于并联的辅管(MOSFET)上，从而可以很大程度上减少开关损耗。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0022] 一、简化变换器启动充电。上下桥臂分别以两模块结对，可以对全模块电容同时充电至额定运行值，充电过程会自动停止，到达额定值时交流侧处于零电平，可以简化启动充电过程；

[0023] 二、灵活的均压能力与脉动抑制能力。并联态运行下，并联使得对外电容加倍，电容电压脉动抑制能力提升，同时，对并联电压高于额定和低于额定的两模块，可以起到自然均压的作用；

[0024] 三、桥臂内能量流动灵活。传统拓扑形式的能量流动控制，主要是依靠对桥臂间环流的控制以及投切模块的选择，但模块间能量无法直接流动，因此对模块间能量的均衡控制手段少，控制周期长，而拓扑的并联态直接实现了不依赖与环流的模块间的能量流动，可以实现桥臂内的能量快速均衡；

[0025] 四、开关损耗降低。并联开关选用MOSFET管，通过并联投切控制，大部分开关动作由IGBT转移到MOSFET，可以很大程度上降低总开关损耗。而对于稳态损耗，由于较大的交流侧电流会加剧模块电容电压脉动，而传统模块化多电平变换器的均压手段比较单一，无法应对较大电流，若是使用全桥模块，虽然提升了电容电压控制能力，但稳态损耗增加至少一倍，而多态模块的并联开关稳态损耗很小，因为并联开关仅当两电容有电压差时，才会有充放电电流流过，而且时间较短，桥臂电流并不通过并联开关，因此稳态损耗较全桥大幅降低。

附图说明

[0026] 图1是本发明所提出的多态子模块拓扑的工作原理及结构图(加粗部分表示导通通路)。(a)投入状态图，(b)切出状态图，(c)并联状态图。

[0027] 图2是本发明多态模块构成的模块化多电平变换器示意图。

[0028] 图3是本发明所提出的全模块运行方式的开关动作示意图，开关动作对比示意图(阴影区域为动作开关)(a)拓扑(b)传统拓扑。

具体实施方式

[0029] 本发明的具体实施方式为：

[0030] 上述附图已清楚地交待了本发明的结构，以下从应用角度进一步介绍本发明的的实质内容和优点:

[0031] 一、变换器启动预充电方式

[0032] 由于使用了可并联结对的模块，可以简化传统拓扑的预充电模式，仅需要相邻两模块并联结对，直流侧会对整个桥臂所有模块同时充电，模块电容电压会平衡在运行额定值，充电过程会自动停止，变换器可以从交流侧零电平的状态启动运行，而无需对各模块电容的电压进行实时测量控制。

[0033] 二、变换器全模块运行方式

[0034] 使用最近电平调制方式，首先，根据调制参考波，除以模块额定电容电压Uc，即单位电平，而后取整，得到应输出的电平，全模块投入方式下，每有一个模块从投入态转入并联态，投入模块减少一个，因此，只需要根据最近电平调制下获得的所需投入数目R和桥臂模块数目N，就可以决定转入并联态的模块数目，唯一需要的是选择哪些模块转入并联态，原则如下：

[0035] (1)优先保证桥臂等效电容最大；根据电容串联等效原则，电容串联等效值主要由其中最小的电容值决定，因此全桥臂的最优情况是每N/R个单元结为一个并联对，当不满足整除时，以N/R上下取整获得每个结对的单元数目。

[0036] (2)优先并联电压偏移较为严重的模块。优先并联偏移较为严重的模块，一方面可以很大程度消除电压偏移，另一方面，并联后相当于增大了电容，可以抑制偏移进一步加剧。由于模块也具备以半桥模式工作的能力，传统的控制调制方式依然可以使用，因此，可以根据工况调整控制方式，具有很大的灵活性。