mmc逆变器



三电平逆变器拓扑结构有哪些

三电平逆变器的主要拓扑结构包括中性点钳位型、飞跨电容型和T型结构三大类，每种结构在电压应力、器件数量和成本方面各有特点。

1. 中性点钳位型（NPC）

- 结构特点：通过两个钳位二极管将中点电压钳位至直流母线中点，每相桥臂包含4个开关管和2个钳位二极管

- 优势：开关管承受电压应力为直流母线电压一半，适合中高压应用

- 局限：存在中点电位波动问题，需要额外控制算法平衡电压

2. 飞跨电容型（FC）

- 结构特点：用悬浮电容替代钳位二极管实现电平转换，每相需1个飞跨电容

- 优势：控制自由度更高，可实现软开关运行

- 局限：电容体积和成本较高，需要专门的预充电电路

3. T型结构（TNPC）

- 结构特点：结合两电平和NPC的特点，使用双向开关器件组成T型桥臂

- 优势：器件数量较少（每相6个开关器件），效率较高

- 局限：双向开关的驱动电路相对复杂

4. 其他衍生拓扑

- 主动中性点钳位型（ANPC）：用主动开关替代二极管，改善中点平衡能力

- 混合型结构：组合使用硅基和碳化硅器件优化高频性能

- 模块化多电平（MMC）：适用于高压大容量场合，但控制复杂度较高

应用选择依据：

- 光伏发电优先选用T型或ANPC结构（效率要求＞99%）

- 工业传动中NPC使用较多（电压等级690V-1140V）

- 电动汽车驱动倾向飞跨电容型（对功率密度要求高）

注：最新行业数据显示（2024），基于碳化硅器件的三电平逆变器功率密度可达30kW/L以上，最高效率超过99.3%。

LCC 和 VSC (MMC) 的底层特性区别

LCC和VSC的底层特性区别如下：

换流器类型与电流/电压特性：

LCC：基于电流源逆变器，其特点是直流电流确定。通过改变电压极性来控制能量的流动，因此只有一个控制自由度。VSC，特别是MMC：使用电压源逆变器，允许电流双向流动。具备两个控制自由度，能够独立控制有功和无功功率，因此更加灵活。

控制策略与灵活性：

LCC：控制策略相对简单，但由于只有一个控制自由度，其灵活性有限。VSC：控制策略复杂，包括双闭环系统控制和子模块级的电压均衡等。这些特性使得VSC在直流输电中表现出更明显的“柔直”特性，即能够更灵活地控制电流和电压。

应用场景与优势：

LCC：适用于传统的、较为简单的直流输电系统，其控制和实现相对容易。VSC：在高压直流输电中，特别是在多端系统中，VSC能够更好地实现功率的灵活转移。由于其高灵活性和控制能力，VSC在复杂电网结构和需要高度可控性的场景中具有显著优势。

综上所述，LCC和VSC在底层特性上存在显著差异，这些差异主要体现在换流器类型、控制策略与灵活性以及应用场景与优势等方面。

研旭电力电子功率硬件 多电平MMC变流控制系统YXPHM-MMC500

南京研旭公司最新研发的YXPHM系列工业级电力电子功率模块，为高校实验室、科研院所以及成品电力电子制造厂商提供了系列功率拓扑模块。模块外壳采用透明亚克力板材，美观实用，方便用户观察内部结构，简洁的输入输出设计，减少了用户对模块中间环节的困扰。YXPHM系列基于模型设计理念，集成在光伏并网逆变器与风机变流器等成熟产品中，结合模块化组件与开放式平台研发经验，进一步集成控制电路、传感器电路与信号处理电路。提供实际控制器接口、快速原型控制器结构与实际控制器模块，为用户提供了性价比更高的模块化产品。

模块化多电平变换器（MMC）是级联型多电平换流器的新型结构，在中高压应用领域具有显著优势。相比于二极管钳位型等多电平拓扑，MMC在电平数高、损耗小、输出谐波小与冗余性上表现出色。与级联H桥结构相比，MMC避免了电容分散导致的中频变压器数量问题。每个MMC子模块结构简单，控制相对容易，可无限拓展。在高电压、大电流应用领域，MMC已有直流输电工程实例。与传统两电平、三电平变换器相比，MMC采用子模块级联方式，避免了IGBT动态均压问题，易于维护和容量扩大，而与CHB相比，MMC省去了移相变压器，子模块数目与承载功率不受限制，通过增加子模块数目灵活扩展电压与功率等级。

多电平MMC变流控制系统设计了最大功率15kW、最大电流25A，交流电压380V、直流电压200V-800V等参数。系统每个桥臂含子模块个数为N=4，每相共2N个子模块，单相共计4N个模块，三相共计6N个模块。单个模块最高耐压650VDC、最大电流25A。模块支持半桥/全桥拓扑，内部集成了驱动及采样电路，具有过压、过流保护功能。子模块采用插拔式设计，配套3U机箱，美观大方，电容与桥臂电感的取值灵活调整。模块能输出母线电压值、交流侧电流值与FB故障信号，LED灯指示电源、运行与故障状态。硬件原理图与编程接口开放。

研旭SP6000快速原型控制器将用户设计的高级语言控制算法（Simulink）转换为DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。通过YX-VIEW6000监控组态软件，用户可以实时监控控制器，完成模型调试与验证。控制算法模型在Matlab中的Simulink工具搭建，通过研旭提供的simulink驱动库，将模型接口与硬件驱动接口绑定，编译成可执行文件，下载至SP6000仿真机运行，实现对被控对象的实际控制。YXSPACE-VIEW6000（VIEW6000）用于配置仿真机外设工作模式，实时监测运行量，包括采集量、中间控制变量等。用户借助6类控件，便捷了解仿真机控制过程。研旭SP6000仿真机采用插卡式结构，包含CPU板卡、模拟采集ADC板卡、模拟输出DAC板卡、数字输出DO板卡、数组输入DI板卡、PWM板卡、QEP/CAP板卡。其板卡配置安装图提供了详细布局。上位机监控软件VIEW6000采用组态式交互界面，方便查看仿真机工作信息。

直流电网是怎么变成交流电网的

直流电网通过逆变器转换为交流电网，核心设备是采用全控型电力电子器件的电压源型换流器

1. 核心转换设备：逆变器

逆变器通过电力电子开关器件（IGBT、MOSFET等）的快速通断控制，将直流电转换成特定频率和电压的交流电。2024年主流工程采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为核心开关元件，其开关频率可达20kHz以上，转换效率超过98.5%（数据来源：国家电网2023年度电力电子设备技术白皮书）。

2. 具体转换过程

直流电首先经过直流滤波环节消除电压波动，随后进入逆变桥电路。通过控制IGBT的导通时序生成PWM波，再经过LC滤波电路整形为正弦波。并网时需通过同步控制单元确保输出交流电与电网保持频率、相位和电压幅值同步。

3. 关键技术参数

- 转换效率：98.2%-99.1%（2023年实测数据）

- 谐波失真率：<3%（符合GB/T 14549-93标准）

- 响应时间：<100ms（国家电网并网技术要求）

- 功率因数：0.98-1.0可调

4. 系统保护机制

配置直流侧过压保护和交流侧短路保护，采用快速熔断器（动作时间<2ms）和双向晶闸管旁路系统。并网逆变器必须具备防孤岛保护功能，在电网异常时0.1秒内自动脱网。

5. 实际应用场景

特高压直流输电工程（如±800kV昆柳龙直流）采用模块化多电平换流器（MMC）技术，每个换流阀塔包含2000+个IGBT子模块。海上风电通过柔性直流送电技术实现直流-交流转换，2023年投运的江苏如东项目单台换流容量达1100MW。

注：所有数据均来自2023-2024年度国家电网公司、南方电网公司最新技术报告及设备厂商（西门子、ABB、国电南瑞）公开技术规格书。

电力电子的新研究方向

电力电子的新研究方向主要包括以下几个方面：

材料与器件的突破是近年来的研究热点。宽禁带半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），因其优异的导电性、导热性和高频工作能力，在高压、高频场景中展现出显著优势。这些材料的应用不仅提升了器件性能，还推动了电力电子设备向更高效、更紧凑的方向发展。

拓扑结构与模块化设计的升级也是重要方向。模块化多级变换拓扑，如模块化多电平换流器（MMC）和中性点钳位（NPC/ANPC）结构，逐渐成为主流。这些结构在大型风电、光伏并网逆变器以及高压直流输配电场景中表现出色，提高了系统的可靠性和灵活性。

软开关与高频化技术通过实现零电压或零电流开关闭合，显著降低了开关损耗，提升了整体效率。这一技术不仅减少了能量损耗，还降低了设备温升，延长了使用寿命。

高频变换器拓扑结构优化同样值得关注。通过新型拓扑结构设计和控制策略优化，高频变换器的效率和性能得到进一步提升。这些优化措施使得变换器在高频工作条件下仍能保持高效稳定运行。

器件热管理与效率优化类研究通过合理的热管理设计和效率优化策略，显著降低了电力电子设备的能耗和温升。这不仅提高了设备的可靠性，还延长了其使用寿命，降低了维护成本。

与人工智能的结合为电力电子领域带来了新的发展机遇。通过引入机器学习、深度学习等人工智能算法，实现了对电力电子系统的智能控制、故障诊断和预测维护。这一结合不仅提高了系统的智能化水平，还增强了其自适应能力。

现代电力电子控制理论研究方向也呈现出多元化趋势。包括新能源发电与微电网协调控制、高性能电机驱动控制、适配宽禁带半导体器件的控制策略、多电平变换器控制以及智能控制算法应用等。这些研究方向为电力电子技术的进一步发展提供了理论支持和技术保障。

扬州日精电子产品介绍

扬州日精电子有限公司是专业从事薄膜电容器研发生产的企业，其产品以小型化、高可靠性和广泛适用性为核心特点，主要服务于新能源、工业控制及家电等领域。

1. 核心产品系列

NSM系列：金属化聚丙烯薄膜电容器，适用于高频、高电流场景，常见于新能源车电控系统、光伏逆变器缓冲电路。

MMC系列：金属化聚酯薄膜电容器，侧重一般电子电路和直流应用，如家电控制板、电源滤波。

BMT系列：双金属化聚丙烯薄膜电容器，具有更高耐压和耐久性，主要用于工业变频器、轨道交通辅助电源系统。

2. 技术特点

产品采用卷绕式金属化薄膜技术自动插件机（AI机）高速生产。额定电压范围覆盖63V-2000V，容量从0.001μF至100μF，工作温度达-40℃~110℃（部分型号125℃）。

3. 应用领域

•新能源汽车：车载充电机（OBC）、电机驱动缓冲

•光伏/储能：逆变器DC-Link支撑、充放电保护

•工业控制：变频器缓冲、焊机谐振电路

•家电：空调压缩机驱动、洗衣机控制板

•高端领域：轨道交通辅助供电、航空航天设备电源滤波

4. 质量控制标准

产品符合AEC-Q200（车规级）和IEC 60384-17国际标准，通过UL、CQC、TÜV等认证，失效率低于5Fit（每十亿小时运行）。

注：产品参数基于2024年公开技术手册，具体选型需结合电路设计需求确认。

高压大功率电力电子拓扑

高压大功率电力电子拓扑主要包括功率器件串并联技术、多重化（Multiple）技术、多电平（Multilevel）技术。

一、功率器件串并联技术

功率器件串并联技术的原理是用低压小容量的开关器件实现大功率变换。通过将器件串联以提高电压等级，将器件并联以提高电流等级。然而，由于开关器件的参数不完全相同，需要附加动静态均压、均流电路，这提高了对功率器件驱动电路的要求。同时，均衡电路会导致系统控制复杂，损耗增加。

二、多重化（Multiple）技术

多重化技术是多个独立的低压两电平电路的重复，各个两电平电路可以完全相同。这些电路的输出按照一定规律叠加起来，大多通过变压器使各个电路串联、并联，使变压器副边输出的电压或电流波形接近正弦波。变压器起到了隔离作用，使得原边的逆变器可以完全独立地工作。然而，多重化技术的主要缺点是需要多个变压器，导致基波损失。

三、多电平（Multilevel）技术

多电平技术包括二极管箝位型（NPC）、飞跨电容型、H桥级联型（CHB）、模块化多电平（MMC）等。

NPC：

优点：NPC可以将两组相同的多电平变换器按照“背靠背”的方式连接，实现四象限运行，便于双向功率流控制，因此在变频器领域获得了广泛应用，如双馈风力发电。

缺点：内外管损耗不均，难以实现电容电压的平衡控制，且在电平数较多时所需二极管数目巨大。三电平NPC的电容电压平衡问题虽然已通过多种方法解决，但NPC仍面临一些挑战。

NPC三电平拓扑最常用的有两种结构：“I”字型（NPC1）和“T”字型（NPC2、MNPC、TNPC、NPP等）。ANPC也是一种NPC1的改进型，近年来随着器件的发展，ANPC也开始有一些适合的应用。

飞跨电容型多电平：

该技术用飞跨电容取代钳位二极管，省去了大量二极管，但引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。

电容的引进使电压合成的选择增多，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。然而，控制方法非常复杂，电容电压控制困难，且开关频率增高，开关损耗增大，效率降低。

到目前为止，飞跨电容型多电平电路结构还未达到实用化程度。

全桥级联多电平变换器CHB：

CHB由两个或多个单相全桥电路级联而成，每个单相全桥逆变器由一个独立的直流电源供电，总的输出为所有级联单元输出的叠加。

优点：没有电容和钳位二极管的限制，电平数可较大，因而可上更高电压，实现更低谐波；具有模块化的结构特点，设计、制造、安装方便；对相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少。

缺点：需要多个独立的直流电源，这是CHB应用于高压变频、直流输电等领域时的一大缺陷。但对于燃料电池发电、储能系统开发来说，就不存在这个问题了。

CHB结构非常适用于高压无功补偿（STATCOM），是高压STATCOM的最佳拓扑。

模块化多电平变换器MMC：

MMC是一种适用于高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电系统（FACTS）的新型电压源换流器（VSC）拓扑结构。

优点：不需要体积庞大的输入变压器、直接模块化级联、输出多电平且能够组成背靠背四象限变流器；采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出；减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形；开关器件的开关频率低，开关损耗也相应减少；将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力。

缺点：HB-MMC直流母线发生短路故障时，不具备直流母线短路故障穿越能力。

多电平技术的最大优点：省去了笨重且昂贵的变压器，且基波不损失。相比多重化技术，多电平技术的具体优点还包括：

开关管可以工作在低频或工频，开关损耗小，效率高，适合于高压大功率场合应用。电压跳变小（du/dt小），降低了开关管的耐压要求，还可以减小对电动机绝缘的损害，降低了电磁干扰。可以直接实现大功率高压输出，不需要笨重、昂贵、耗电的变压器。在三相系统中输出的共模电压小。与器件串并联技术相比，不存在静态和动态均压问题。

以下是NPC三种拓扑结构图、MMC直流母线短路故障时电流路径示意图：

综上所述，高压大功率电力电子拓扑中的功率器件串并联技术、多重化技术和多电平技术各有优缺点。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的拓扑结构。

DSC双面散热封装技术的进化史——在功率模块中的应用

DSC双面散热封装技术在功率模块中的应用经历了从早期探索到逐步成熟、广泛应用的进化过程，不同阶段的关键技术突破推动了其性能、可靠性和成本优势的不断提升。

早期探索阶段：概念提出与初步尝试1995年GE公司提出Power Overlay（POL）封装

引线键合互连被50 μm厚、表面金属化的聚酰亚胺薄膜取代，封装高度降低50%，实现顶侧散热。

可承受高达2400 V的工作电压和200 W的功耗，被认为是双面散热的第一个发明。

2001年International Rectifier开发Direct FET功率封装技术

利用表面钝化分离和限定MOSFET管芯上的源极焊盘和栅极焊盘，将铜盖施加到功率半导体器件顶面，实现与印刷电路板连接。

铜盖促进双面散热，无需额外散热片，不使用导热介质填充间隙即可通过空气强制散热。

2002年波音公司获得双面风冷功率模块封装专利

在传统功率模块封装顶部添加环氧树脂和除热剂的封装层。

佛罗里达州立大学基于此概念构建基于1200V 25A IGBT的原型，报告显示该功率模块封装的热阻抗比传统器件降低20%。

技术发展阶段：关键技术突破与性能提升2004年西门子提出功率球栅阵列（PBGA）封装概念

功率半导体器件焊接在两个DBC基板之间，管芯集电极通过大面积焊接连接到下部DBC基板，上部栅极焊盘和发射极焊盘经由焊料凸块连接到上部DBC基板。

Fraunhofer模拟结果表明，实现双面冷却时，Rth可提高31 - 44%。

2010年International Rectifier开发CooliR2封装解决方案

半导体器件夹在两块基板之间实现双面冷却。

模拟结果显示，每个散热器5 LPM时，双面冷却运行下的Rth为0.071 K/W，10 LPM时单面冷却下的Rth值为0.095 K/W，性能提高32%；实际测量发现，从单面冷却到双面冷却，稳态Rth提高30%。

由于可焊接前金属（SFM）较低的导通状态电压和较大的热交换面积，IGBT功率半导体器件的载流能力增加30%，裸片面积可潜在减少38%，或IGBT功率半导体器件的额定开关电流增加高达61%。

2011年International Rectifier报道另一种双面冷却功率模块概念

使用2毫米厚的铜板代替覆铜基板，用于300A 650V硅基IGBT功率模块封装，消除引线键合并提供额外冷却路径。

与传统引线键合IGBT功率模块相比，这种铜夹的无引线键合IGBT功率模块的循环次数增加260%。

2011年Semikron开发SkiN双面平面键合相腿功率模块

顶部基板为聚酰亚胺的柔性印刷电路板，两侧印刷有金属线，用作与功率半导体器件顶面的互连。

功率半导体器件两侧与基板之间以及衬底与散热器之间的所有接合界面都通过银烧结连接，使器件能在比常规焊接连接器件更高的服役温度下工作。

结到环境的热阻Rth为0.44 K·cm2/W，比传统功率模块低35%，原因一是柔性电路板具有更高热导率，二是烧结银降低了横向温度梯度。

在10秒内将结从40 °C升高到150 °C，经受高达500 k的循环次数，而传统功率模块在20至40 k循环时会表现出明显疲劳，相对于传统功率模块设计几乎是200倍的改进。

2011年ABB Corporate Research开发高功率1200 V、600A双面风冷IGBT压装模块

采用高熔点的共晶合金将硅基IGBT功率半导体器件焊接在两块金属基复合材料（MMC）基板之间，形成双面冷却的压装式功率器件。

发射极和阳极的引线键合被完全取代，但栅极仍用引线键合连接。

测试表明，与具有相同尺寸的400 kW最先进的工业逆变器相比，芯片面积减少10%，而输出电流高出35%。

2012年西门子报告西门子平面互连技术（SiPLIT）功率模块封装解决方案

整个功率半导体器件涂覆有通过基于真空的层压工艺施加的柔软的基于环氧树脂的绝缘膜。

在保形沉积的绝缘层的通孔或开口上的铜电镀形成用于功率半导体器件的互连，铜镀层典型厚度为50 - 200 μm，具体取决于芯片额定电流和热阻抗要求。

功率模块封装的测量Rth为0.55 K/W，比传统铝引线键合功率模块封装的Rth低20%（传统铝线键合功率模块封装的Rth为0.69 K/W）。

成熟应用阶段：广泛采用与持续优化2016年北卡州立大学（NCSU）提出双面风冷的电源模块，总线功率芯片（PCoB）概念

在1200 V 100 A SiC功率模块中，空气流量为15 CFM时Rth可达到0.5 K/W，而单侧液冷功率模块的Rth也仅为0.6 - 1 K/W。

2010年代中期以来

双面散热方案越来越受欢迎，越来越多的供应商和OEM正在采用这种优秀的封装技术。

目前的工作重点是利用平面互连、改进的材料、更新的工艺，使功率模块具有更好的性能、更高的可靠性和更低的成本。

dr mmc无功容量

DR与MMC的无功容量需结合具体系统参数确定，目前无统一固定值，但可通过控制模式与优化方法实现灵活调节。

一、分布式资源（DR）的无功容量特性

分布式资源（如分布式发电DG、分布式储能DS）通过变流器接口接入电网时，其无功容量主要取决于变流器的控制模式与额定容量。例如：

电压控制模式（VCM）：储能系统在孤岛运行时，可通过调节无功功率支撑电压稳定，其无功输出范围通常受变流器额定视在功率限制。若变流器额定容量为S（kVA），则最大无功容量Q_max = √(S² - P²)，其中P为有功功率输出。单位功率因数运行：可再生能源接口变流器（如光伏逆变器）通常默认运行于单位功率因数（PF=1），但并网标准要求其具备无功调节能力。例如，中国《光伏发电站接入电力系统技术规定》要求光伏逆变器在额定功率下，无功功率调节范围需达到±48%额定容量。二、MMC的无功控制模式与容量

模块化多电平换流器（MMC）的无功容量由其控制模式决定，常见模式包括：

PQ模式：直接控制有功（P）和无功（Q）输出，无功容量受换流器额定视在功率限制。例如，额定容量为100MVA的MMC，若P=80MW，则Q_max = √(100² - 80²) = 60Mvar。UdcQ模式：在直流电压控制（Udc）基础上调节无功功率，适用于背靠背或直流输电场景，无功容量同样受额定容量约束。V/f模式：提供电压和频率支撑，无功输出需满足电网电压调节需求，通常通过预留一定容量实现动态调节。三、无功容量优化方法

在风电场等场景中，无功容量需动态分配以降低损耗。例如：

基于LSTM神经网络的预测优化：通过预测风电功率波动，提前调整无功输出，减少场内有功损耗。动态评估机制：结合电网实时状态（如电压偏差、线路负载），动态调整各DR/MMC的无功分配比例，提升系统效率。四、关键限制与参数依赖

目前公开资料未提供DR或MMC的通用无功容量数值，实际值需根据以下参数确定：

变流器/换流器的额定容量（S）；控制策略（如PQ模式下的有功分配比例）；电网条件（如电压等级、短路容量）；并网标准要求（如无功调节范围）。

结论：DR与MMC的无功容量需通过系统设计阶段的具体参数计算，但可通过灵活控制模式与优化算法实现高效利用。

湖北仙童科技有限公司 高端电力电源全面方案供应商 江生 13997866467