高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是制约高压大容量换流器可靠运行的关键因素之一。为此,文中提出一种混合型MMC器件损耗分布优化方法。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性。其次,分析电容电压对器件损耗的影响规律,明确降低半桥子模块电容电压可减少其下部IGBT的损耗。然后,在不影响换流器外输出特性的前提下,提出计及三次谐波电压注入及桥臂输出电压指令值差异化分配的控制策略,通过最大程度降低半桥子模块电容电压,减少其下部IGBT损耗。最后,开展MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验,仿真及实验结果验证了所提方法可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,有利于提高换流器的整体可靠性。

子模块故障下基于变执行频率的MMC功率损耗优化控制

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)因其高度模块化和低谐波失真而逐渐成为最适合大功率应用的拓扑之一。当子模块(submodule,SM)发生故障时,故障桥臂中SM电容电压和开关频率将升高,这会导致MMC故障桥臂的功率损耗不平衡,从而影响MMC的寿命。文中提出一种基于变执行频率的功率损耗优化控制(variable execution frequency-based power losses optimization control,VEF-PLOC),该控制通过调整电容电压平衡控制的执行频率来调节功率器件的开关损耗,从而优化故障桥臂中功率器件的损耗。提出的VEF-PLOC能够优化SM故障下故障桥臂功率损耗,从而有效地提高MMC的寿命。最后,在时域专业工具PSCAD/EMTDC上进行仿真,并在小型MMC样机上进行实验,仿真和实验结果皆验证了提出的VEF-PLOC的有效性。

基于电流注入法的模块化多电平换流器损耗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的阀体损耗较大,MMC型柔性直流精细化电磁暂态仿真及系统效率研究需要对阀体损耗有更准确的模拟。针对现有柔性直流电磁暂态仿真中的阀体因采用等效模型导致的不存在的虚拟损耗问题,提出了基于电流注入法的柔性直流含阀体损耗电磁暂态建模方法,包括采用有限采样法实现不同运行工况下阀体损耗值的准确自动计算,参考计算结果在建模中采用电流注入法对损耗进行补偿,实现对换流阀损耗的动态跟踪与模拟。最后,通过在PSCAD中搭建柔性直流电磁暂态仿真模型,验证了所提方法的准确性,研究结果可用于精确模拟含阀体损耗的柔性直流电磁暂态建模,且通过仿真可进一步开展降损措施研究。

电压自平衡碳化硅MOSFET间接串联功率模块

目前,常见商用宽禁带碳化硅金属-氧化物场效应晶体管(SiC MOSFETs)的阻断电压不超过1.7kV,为提高其等效耐压等级,提出一种二极管-电容混合钳位的间接串联拓扑和准两电平开环调制方法,可实现拓扑中串联器件的电压自动均衡。基于此,该文利用SiC MOSFET裸芯片封装制作了一个3.6kV/20A的间接串联功率模块,并设计出与之配套的驱动保护电路,整体等效为通用中压、两电平功率模块,具有体积小、集成度高的优点。最后通过实验验证了该模块的通用性,以及其在开关损耗和经济性等方面的优势。

柔性直流输电系统的功率模块涡流损耗及其温升分析

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电在电力传输领域有着广阔的应用前景,而主回路母线的大电流会在功率模块的铁磁框架中产生涡流损耗,导致不必要的温升。因此文中针对柔性直流输电换流阀的功率模块建立电磁模型,对其进行电磁—热耦合仿真分析,得出了涡流损耗和温度的分布特征。根据仿真结果及相关分析,提出了3种改进温升问题的方法,对功率模块设计具有一定的指导意义。最后通过实验验证了仿真结果的真实性和改进方案的有效性,为今后功率模块的设计制造和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的运行管理提供参考依据。

计及旁路子模块的MMC损耗均衡控制策略

子模块故障是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的常见故障类型。故障子模块旁路后,各桥臂处于不对称运行状态,导致损耗分布不均和结温异常,降低换流阀运行效率与可靠性;在子模块数量较少的中低压MMC中更为凸显。为解决上述问题,该文推导MMC在不同旁路子模块占比下的桥臂电流解析式,进而量化分析故障桥臂及健全桥臂的损耗分布差异性。在此基础上,针对采用载波相移脉宽调制的中低压MMC,提出一种考虑桥臂旁路子模块的损耗均衡控制策略,结合零序电压和最优环流注入从开关器件的耐受电压和瞬时电流,抑制故障桥臂中健全子模块损耗升高,使各桥臂损耗趋于均衡,从而提升系统运行经济性与可靠性。最后,在Matlab/Simulink仿真中分析多工况情况,验证损耗特性的正确性与所提控制策略的有效性。

SiC MOSFET模块化直流固态断路器的集成化封装

直流断路器是关断直流输配电网中短路电流的关键设备。与机械断路器相比,使用半导体器件关断短路电流的固态断路器(SSCB)和混合断路器在响应时间方面表现出很大的优势。多个半导体器件串联有助于直流SSCB承受直流母线的高压,但会导致高成本和大体积。提出了一种基于SiC MOSFET模块化主从驱动的直流SSCB,所有串联器件仅需一个驱动器,简化了栅极驱动电路。对模块进行单面散热封装,可以减小寄生电感并优化散热,使器件的性能得到更好的发挥。实验结果表明,该直流SSCB可以承受700X V的直流母线电压(X为模块数),可在20μs内关断70 A短路电流。模块化设计具有更高的灵活性和更低的成本。

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

为破解中压模块化多电平变换器(MMC)输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题,该文提出一种基于高低频混合的新型MMC(NMMC)拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块(HCCM)构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用SiC MOSFET器件,而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑,该文采用高低频混合调制策略,充分发挥了SiCMOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。此外,针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略,并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地,仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后,将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比,证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

Boost变换器中SiC与IGBT模块热损耗对比研究

针对Boost变换器中SiC(碳化硅)与IGBT模块热损耗问题,给出了Boost电路中功率模块热损耗的估算方法,并提供了具体的估算公式。以30 kW DC/DC变换器为研究对象,对功率模块在不同工作频率下的损耗进行了理论计算、PLECS仿真和试验验证对比分析。PLECS仿真和试验验证的结果不仅证明了估算公式的正确性,还直观的体现了SiC和IGBT两类模块在不同开关频率下工作的热损耗趋势。从文中可以看出,使用SiC替代IGBT可以显著地提高变换器的工作频率和功率密度。

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)(简称T_(2)管)损耗占比较大,减小其损耗有利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容电压纹波有利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容电压纹波间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,文中提出兼顾减小T_(2)管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容电压纹波的影响路径,阐述减小T_(2)管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。接着,通过引入罚函数,建立计及T_(2)管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。然后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T_(2)管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法。最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明:该综合优化方法兼顾了T_(2)管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。

低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。

基于排序算法优化的MMC功率模块降损策略

模块化多电平换流器(MMC)包含的功率器件多、桥臂电流大,导致电压源换流器单元运行损耗大,直接影响系统的经济性。针对该问题提出了一种功率模块开关损耗降低策略,通过降低桥臂电流较大区域的开关次数减少开关损耗,通过增大桥臂电流较小区域的开关次数抑制模块电压波动,最后以昆柳龙工程柳北站电压源换流器单元为例,通过PSCAD仿真和RTDS试验验证了降损策略的有效性,显著降低了功率模块开关损耗,提高了系统效率。

基于变载波频率的MMC损耗平衡控制策略

模块化多电平换流器(MMC)拓扑是中高压、大功率应用中最有吸引力的拓扑之一。MMC内部包含大量子模块(SM),每个SM都是一个潜在的故障点,SM发生故障被旁路后,将会导致故障桥臂剩余SM电容电压升高,损耗增大,引发MMC桥臂间损耗不均衡现象,危害MMC的可靠性。此处针对SM故障情况,提出一种基于变载波频率的MMC损耗平衡控制策略,根据故障桥臂和健康桥臂SM平均损耗的偏差实时调节故障桥臂SM的载波频率,以调节故障桥臂SM的开关损耗,从而实现故障桥臂和健康桥臂SM间的损耗平衡。与常规方法相比,所提方法不增加额外的建设成本,控制算法简单且不影响输出电能质量。仿真和实验结果表明,此处提出的MMC损耗平衡策略能够有效实现故障桥臂和健康桥臂的损耗平衡。

1.6T高速传输光模块PCB阻抗研究

光模块是光纤通信中的重要组成部分,其中光模块印制电路板(PCB)表面有高速传输信号线,高可靠性和低信号损耗是5G光模块产品的新要求,控制好阻抗和信号损耗等是做好光模块产品的关键。选取一款14层1.6T高速光模块PCB产品,研究此类产品如何从设计、工艺、品质方面进行管控作业,以期为业界技术工作者提供参考。

芯塔电子正式发布1200V/14mΩSiC MOSFET

近日,芯塔电子正式推出1200V/14mΩSiC MOSFET,主要应用于电动汽车主驱功率模块。据了解,1200V/14mΩSiC MOSFET的衬底、外延使用国产材料,晶圆流片及芯片封装均在国内完成。芯塔电子目前已推出650V/1200V/1700V多个电压平台的近40款SiC MOSFET系列产品,并拓展了TO-263-7、DFN 8×8、Toll等具有更小尺寸、更低寄生干扰、优异热管理能力及高可靠性的封装外形,部分产品已通过车规AEC-Q101及加严H3TRB双认证。

基于面积等效法的模块化多电平换流器损耗分析

基于模块化多电平换流器的直流输电(modularmultilevel converter based HVDC,MMC-HVDC)阀的损耗研究目前还没有。由于MMC阀拓扑的特殊性,传统晶闸管和绝缘栅双极晶体管串联阀换流器的损耗计算方法均不能直接应用,文章结合其子模块特有的半导体器件的开关特性,分析了MMC子模块投入和切除的具体物理过程;结合换流器拓扑结构和面积等效调制算法,推导了典型工况下MMC阀的损耗与阀电压、电流、调制算法的关系,为MMC-HVDC输电系统的降损设计提供了依据。

基于模块化多电平换流器的新型全桥损耗优化调制策略

提出了一种新型全桥损耗优化调制策略,可以平衡子模块中各个半导体开关器件的热应力,提高器件安全裕度,从而提升模块化多电平换流器(MMC)的功率传输能力。首先,对构成MMC的子模块结构进行了分析,从抑制直流侧故障角度出发,选择了全桥子模块作为分析的对象。其次,针对MMC型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的各种工况进行了损耗和结温分析,找出了限制MMC功率传输的主要因素。最后,在综合分析的基础上,针对MMC-HVDC系统提出了全桥损耗优化调制策略,该方法可以提升直流传输功率。仿真分析验证了所提出的全桥损耗优化调制策略的有效性。

IGBT模块开关损耗计算方法综述

IGBT模块开关损耗计算方法有基于物理方法的损耗计算法和基于数学方法的损耗计算法。基于物理方法的损耗计算是采用软件仿真的办法建立相应的物理模型得到开关动态波形,计算损耗;基于数学方法的损耗计算是采用各种数学的方法建模,计算损耗。对各种开关损耗计算法进行讨论,并给出其相应的优缺点。

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。

中高频模块化多电平换流器阀损耗的精确计算方法与分析平台

针对模块化多电平换流器（modular multi-level converter，MMC）阀损解析计算结果不准确以及采用详细电磁暂态仿真计算耗时大的问题，本文提出一种利用MMC快速仿真模型精确计算中高频MMC阀损的计算方法。推导了利用MMC快速仿真模型精确计算MMC阀损的方法，提出MMC阀损的快速评估平台，并通过MMC详细开关模型与快速模型阀损计算结果比较验证了所提出的 MMC 快速计算模型阀损计算的准确性。而后对201电平 MMC 在50~1000 Hz 运行频率下的损耗进行了计算和对比，拟合了MMC阀损与有功功率以及MMC阀损与运行频率的关系。研究结果可以为中高频MMC的应用提供参考。