CN103825483A - SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感，其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，然后上下桥臂串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，然后上下桥臂串联。上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端。本发明采用多电平控制策略，混合式单相高压变换器的输出电压将呈现正弦多电平电压，减少了谐波。

Description

SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器
技术领域
本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器。
 
背景技术
SiC（碳化硅）功率开关器件的优势在于具有高压（达数万伏）、高温（大于500℃）特性，突破了硅基功率半导体器件电压（数千伏）和温度（小于150℃）的局限性。迄今为止，国际上已经研发出19.5kV的碳化硅二极管、3.1kV、4.5kV的门极可关断晶闸管、10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等，在未来的几年里，随着产业化进程不断加速，SiC功率开关器件将成为高压、大容量工业应用的主要器件。
“一代器件、一代电力电子拓扑”是电力电子技术发展的一个特征，SiC功率开关器件的发展必然催生一批新的高压变换器的出现，由于SiC功率开关器件的高压特性，可以解决现有硅功率开关器件的串联均压问题，在需要高压大容量应用的电力系统、新能源发电、武器准备、运载设备上广泛应用。然而，SiC功率开关器件的价格较高，全部采用将影响高压变换器的性价比，为此本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，它即可以降低高压变换器成本，又可以利用硅IGBT构成的电路实现多电平控制。
 
发明内容
本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，与现有以硅IGBT为主的模块组合多电平变换器（MMC变换器）比较，一是电路简单，减少了元器件，降低了电路成本；二是控制简单，可实现多电平电压输出，谐波小，在高压工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。
SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感。混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另1个高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联。两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
进一步地，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和1个直流电容构成。
进一步地，所述低压模块单元包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的两端均与续流二极管连接，第一开关管的正极和直流电容的正极相连接；第一开关管的负极和第二开关管的正极连接，连接点为O1端；第二开关管的负极与直流电容CE的负极连接，连接点为O2端；直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
进一步地，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的续流二极管的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的续流二极管的导通方向。
进一步地，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。
进一步地，混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元的O1端即U1与电源的正极相连接，第一个低压模块单元的O2端与第二个低压模块单元的O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元的O1端即Ui连接到第i-1个低压模块单元的O2端，第i个低压模块单元的O2端连接到第i+1个低压模块单元的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元的O2端与第一桥臂电感连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感与第N+1个低压模块单元的O1端即UN+1相连接，第N+1个低压模块单元的O2端与第N+2个低压模块单元的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元的O2端连接到电源的负极。
进一步地，混合式单相高压变换器另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关的正极与电源的正极相连接，负极与第三桥臂电感相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关的正极与第四桥臂电感相连接，负极与电源的负极相连接。
进一步地，通过控制单相桥臂的电平输出，可以得到混合式单相高压变换器的交流输出电压为正弦多电平。
与现有的多电平技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
第一，本发明电路的结构简单，其中一相桥臂只需要2个高压开关器件，元器件大量减少，降低了电路成本和复杂性；
第二，本发明电路的控制策略简单，只需要控制各个低压模块的输出电压，就能实现电路输出正弦多电平电压，减少输出谐波；
第三，本发明电路将低压硅IGBT器件和高压SiC功率开关器件有机地结合在一起，充分发挥了两种器件的优势，更好地满足了高压工业应用场合的实际需要。
 
附图说明
图1是本发明的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路图。
图2是本发明的低压模块单元结构图。
图3a～图3d分别是低压模块单元的四种工作状态示意图。
图4是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器结构图。
图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形。
 
具体实施方案
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
图1所示的是本发明SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路（单相是指该变换器输出的是单相交流电压）。混合式高压变换器的构成方式如下：
1、其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成。图2所示的是本发明的低压模块单元结构，低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件，即第一开关管T1和第二开关管T2，及1个直流电容构成。第一开关管T1的正极和直流电容CE的正极相连接；第一开关管T1的负极和第二开关管T2的正极连接，连接点为O1端；第二开关管T2的负极与直流电容CE的负极连接，连接点为O2端；直流电容CE上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
图1中，第一个低压模块单元M1的O1端即U1与电源V的正极相连接，第一个低压模块单元M1的O2端与第二个低压模块单元M2的U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元Mi的O1端即Ui连接到第i-1个低压模块单元Mi-1的O2端，第i个低压模块单元Mi的O2端连接到第i+1个低压模块单元Mi+1的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元MN的O2端与第一桥臂电感Lap连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感Lan与第N+1个低压模块单元MN+1的O1端即UN+1相连接，第N+1个低压模块单元MN+1的O2端与第N+2个低压模块单元MN+2的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元M2N的O2端连接到电源V的负极；
2、另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关S1的正极与电源V的正极相连接，负极与第三桥臂电感Lbp相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关S2的正极与第四桥臂电感Lbn相连接，负极与电源V的负极相连接；3、两相上下桥臂串联，桥臂电感连接点构成对应相桥臂的交流输出端。
按照图1的低压模块单元结构，低压模块单元有4种工作状态。其中图3a是第一种工作状态，即第一开关管T1导通，模块输出电压Uo1-Uo2=E；图3b是第二种工作状态，即第一开关管的续流二极管D1导通，模块输出电压Uo1-Uo2=E；图3c是第三种工作状态，即第二开关管T2导通。模块输出电压Uo1-Uo2=0；图3d是第四种工作状态，即第二开关管的续流二极管D2导通，模块输出电压Uo1-Uo2=0。
图4是一个具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，它由4个低压半桥模块单元M1、M2、M3、M4，2个SiC功率开关器件S1、S2和4个桥臂电感构成，其中4个桥臂电感的电感值相同，均为L。
图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形，从图中可见，控制a端输出电平为0、±E、±2E，b端输出电平为±2E，可以得到输出电压Vab为五电平。

Claims (8)

1.SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感；混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由1个所述高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另1个所述高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联；两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
2.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和1个直流电容构成。
3.根据权利要求2所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元包括第一开关管（T1）和第二开关管（T2），第一开关管（T1）和第二开关管（T2）的两端均与续流二极管连接，分别为第一续流二极管（D1）和第二续流二极管（D2）；第一开关管（T1）的正极和直流电容（CE）的正极连接；第一开关管（T1）的负极和第二开关管（T2）的正极连接，连接点为O1端；第二开关管（T2）的负极与直流电容（CE）的负极连接，连接点为O2端；直流电容（CE）上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
4.根据权利要求3所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管（T1）的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管（T1）的续流二极管（D1）的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管（T2）的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管（T2）的续流二极管（D2）的导通方向。
5.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。
6.根据权利要求3所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元（M1）的O1端即U1与电源（V）的正极相连接，第一个低压模块单元（M1）的O2端与第二个低压模块单元（M2）的O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元（Mi）的O1端即Ui连接到第i-1个低压模块单元（Mi-1）的O2端，第i个低压模块单元（Mi）的O2端连接到第i+1个低压模块单元（Mi+1）的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元（MN）的O2端与第一桥臂电感（Lap）连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感（Lan）与第N+1个低压模块单元（MN+1）的O1端即UN+1相连接，第N+1个低压模块单元（MN+1）的O2端与第N+2个低压模块单元（MN+2）的O1端即UN+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元（M2N）的O2端连接到电源（V）的负极。
7.根据权利要求6所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关（S1）的正极与电源（V）的正极相连接，负极与第三桥臂电感（Lbp）相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关（S2）的正极与第四桥臂电感（Lbn）相连接，负极与电源（V）的负极相连接。
8.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，通过控制单相桥臂的电平输出，得到交流输出电压为正弦多电平。
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