含SiC器件的模块化多电平换流器及其优化控制系统

本成果提出了一种含SiC器件的模块化多电平换流器及其优化控制系统。针对前述痛点问题，本成果对应给出了以下解决方案：

1. 针对SiC MMC子模块器件结温分布不均的问题，提出了一种基于SiC MOSFET双向导电特性的子模块器件结温均衡方法。团队借鉴Si子模块器件损耗分析方法，建立了SiC子模块损耗分析模型。在此基础上，根据SiC MOSFET沟道是否双向导电，将SiC MOSFET分为单极工作和双极工作两种模式，并对比了两种模式的器件损耗分布情况。进一步地，引入可自适应调节的阈值参数控制两种模式的自主切换，从而实现器件损耗的均衡。

2. 针对SiC器件高阻断电压、高开关速度的特性导致MMC电磁干扰增加的问题，提出了多种适用于SiC MMC的共模电压抑制方法。团队建立了MMC共模电压分析模型，并分析了SiC器件的应用对MMC共模电压特性的影响。在此基础上，揭示了基于最近零共模电压矢量的共模电压抑制方法的实现原理，并分析了其劣化输出电能质量的缺陷。进一步地，基于开关矢量分析法，提出了多种改进型的共模电压抑制方法，可在实现零共模电压调制的同时抑制电容电压波动并提高输出电能质量。

3. 针对全SiC子模块成本高、导通损耗大的问题，提出了多种Si/SiC器件混合型子模块方案（包含全桥子模块方案、投切电容型子模块（CS-SFB）方案）。通过优化子模块调制方法，使SiC半桥高频工作、Si半桥低频工作，实现了器件的优势互补。

4. 针对由全SiC子模块组成的单一器件型MMC成本高、导通损耗大的问题，提出了Si/SiC子模块混合型MMC换流器方案。团队分析了全SiC MMC随着增压扩容成本、损耗持续增高的缺陷。然后，通过改变单一器件MMC各子模块结构相同、功能一致的架构特性，将少量SiC塑形子模块和多个Si承压子模块串接，构成了Si/SiC子模块混合型MMC。在此基础上，优化了换流器调制方法，在实现子模块电容电压均衡的同时使SiC子模块高频运行、Si子模块低频运行，提升了器件的利用效率。

图1 6kW CS-SFB混合型MMC

图2  10kW Si子模块/SiC子模块混合型MMC