CN108322052A - 一种基于碳化硅器件的电源系统和一种dc/dc装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于碳化硅器件的电源系统和一种DC/DC装置，包括至少两个DC/DC装置以及电容支路，DC/DC装置包括第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，DC/DC装置一端连接电容支路上的对应电容模块，另一端并联连接，第一功率单元主要由碳化硅开关管构成，和/或第二功率单元主要由碳化硅器件构成。和常规的器件相比，碳化硅器件的工作电压更高，满足高电压需求。而且，碳化硅器件体积小，通态电阻小，可以不用配设散热器，且碳化硅器件的效率比常规的器件高出4‑5个百分点。碳化硅开关管的开关频率可以做到60kHz‑80kHz，而常规的开关器件只能做到10kHz‑20kHz，开关效率和工作效率有很大的提高。

Description

一种基于碳化硅器件的电源系统和一种DC/DC装置
技术领域
本发明涉及一种基于碳化硅器件的电源系统和一种DC/DC装置。
背景技术
在高压直流输电、柔性直流输电、高压静态无功补偿装置以及高压岸电电源技术领域中，大都采用链式的H桥级联结构，每个H桥的IGBT一般为3300V或4500V，每个H桥都需要一个驱动和控制高压辅助电源，功率100W左右。这种辅助电源通常从每个H桥的直流母线上取电，正常工作时，母线电压是2200V或2800V，系统启动或故障时，电压的变化范围可达0～3600V或0～4500V。而且，要想保证系统的可靠工作，辅助电源的工作电压不能低于IGBT的电压等级。辅助电源的核心器件在于其中的功率开关器件，比如申请公布号为CN101860228A的中国专利申请文件中公开了一种高压配电用电力电子变压器，其中涉及一种电源电路结构，包括级联设置的多个DC/DC模块，每个DC/DC模块包括逆变单元、变压器和整流单元，整流单元的直流侧并联连接，以输出高直流电压。但是，常规的功率开关器件的电压等级有限，当直流输电系统中采用4500V的IGBT时，与该IGBT对应的辅助电源就难以设计，因为已经没有合适的功率开关器件与该IGBT对应的电压等级相匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳化硅器件的电源系统，用以解决现有的辅助电源系统的电压等级不高的问题。本发明同时提供一种DC/DC装置。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
系统方案一：本方案提供一种基于碳化硅器件的电源系统，包括至少两个DC/DC装置以及用于连接直流电的电容支路，所述电容支路上串设有至少两个电容模块，各电容模块与DC/DC装置一一对应，所述DC/DC装置包括依次连接的第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，各第一功率单元的直流侧连接对应的电容模块，各第二功率单元的直流侧并联连接，构成所述电源系统的电能输出端，各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，和/或各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
和常规的Si器件相比，碳化硅器件的工作电压更高，电压等级高也就意味着能够适用于高电压等级IGBT对应的辅助电源，因此，基于碳化硅器件的电源系统的电压等级比常规的辅助电源的电压等级高，满足高电压需求。而且，碳化硅器件的体积小，通态电阻小，相应地，损耗就小，发热量就小，可以不用专门配设散热器就可以在常规环境温度下满载工作，并且，碳化硅器件的导热性也更高，效率也高，通常来说，效率比常规的器件高出4-5个百分点。碳化硅开关管的开关频率可以做到60kHz-80kHz，而常规的开关器件的开关频率只能做到10kHz-20kHz，开关效率显著提升，工作效率也就得到很大的提高。
系统方案二：在系统方案一的基础上，各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，且各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
系统方案三：在系统方案一的基础上，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
系统方案四：在系统方案二的基础上，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
系统方案五：在系统方案四的基础上，所述变压器单元的原边绕组串设在所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管之间，所述第一碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第一二极管，所述第二碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第二二极管。
本方案提供的DC/DC装置为通过两个碳化硅开关管以及其他相关器件构成的双管反激电路，采用级联的双管反激电路构成电源系统，效率更高，进一步提高开关频率。
系统方案六：在系统方案一或二的基础上，所述整流电路包括连接变压器单元副边绕组的整流线路以及串设在所述整流线路上的碳化硅二极管。
系统方案七：在系统方案一或二的基础上，所述电源系统的电能输出端连接有直流母线电容。
系统方案八：在系统方案四的基础上，所述电源系统还包括控制驱动装置，所述控制驱动装置包括用于产生控制驱动信号的控制模块以及至少两个脉冲驱动信号输出模块，各脉冲驱动信号输出模块与各DC/DC装置一一对应，所述脉冲驱动信号输出模块包括脉冲变压器，脉冲变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组，所述控制模块的控制驱动信号输出端输出连接各脉冲变压器的原边绕组，各脉冲变压器的两个副边绕组分别控制连接对应开关电路上的第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管。
系统方案九：在系统方案八的基础上，所述控制驱动装置还包括用于对控制驱动信号进行放大的推挽电路，所述控制模块的控制驱动信号输出端连接所述推挽电路的输入端，所述推挽电路的输出端输出连接所述各脉冲变压器的原边绕组。
系统方案十：在系统方案四的基础上，所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管均为碳化硅MOSFET管。
装置方案一：本方案提供一种DC/DC装置，包括依次连接的第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，所述第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，和/或所述第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
装置方案二：在装置方案一的基础上，第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，且第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
装置方案三：在装置方案一的基础上，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
装置方案四：在装置方案二的基础上，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
装置方案五：在装置方案四的基础上，所述变压器单元的原边绕组串设在所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管之间，所述第一碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第一二极管，所述第二碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第二二极管。
装置方案六：在装置方案一或二的基础上，所述整流电路包括连接变压器单元副边绕组的整流线路以及串设在所述整流线路上的碳化硅二极管。
装置方案七：在装置方案一或二的基础上，所述第二功率单元的直流侧连接有直流母线电容。
装置方案八：在装置方案四的基础上，所述DC/DC装置还包括控制驱动装置，所述控制驱动装置包括用于产生控制驱动信号的控制模块以及脉冲驱动信号输出模块，所述脉冲驱动信号输出模块包括脉冲变压器，脉冲变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组，所述控制模块的控制驱动信号输出端输出连接脉冲变压器的原边绕组，脉冲变压器的两个副边绕组分别控制连接第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管。
装置方案九：在装置方案八的基础上，所述控制驱动装置还包括用于对控制驱动信号进行放大的推挽电路，所述控制模块的控制驱动信号输出端连接所述推挽电路的输入端，所述推挽电路的输出端输出连接所述脉冲变压器的原边绕组。
装置方案十：在装置方案四的基础上，所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管均为碳化硅MOSFET管。
附图说明
图1是基于碳化硅器件的电源系统的主电路图；
图2是电源系统的控制电路图；
图3是碳化硅MOSFET管的电压波形图；
图4是变压器原边电流波形图。
具体实施方式
电源系统实施例
最近几年，碳化硅(SiC)器件发展迅速，1700V及以下电压的二极管已经比较成熟，并且，应用广泛，能够应用到新能源汽车、光伏逆变器等场合。1200V和1700V的SiC MOSFET为碳化硅(SiC)器件的典型产品。
本发明提供的基于碳化硅器件的电源系统包括两大部分，DC/DC装置以及用于连接直流电的电容支路，其中，DC/DC装置的个数为至少两个，电容支路上串设的电容模块的个数也是至少两个，DC/DC装置的个数以及电容模块的个数均根据实际要求进行设定，并且，各电容模块与各DC/DC装置一一对应。
对于任意一个DC/DC装置，包括依次连接的第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，各第一功率单元的直流侧连接对应的电容模块，各第二功率单元的直流侧并联连接，构成电源系统的电能输出端。
上述为系统的整体结构，这种不涉及具体电路的整体结构属于现有技术，比如申请公布号为CN101860228A的中国专利申请文件中就公开了这种构型。本发明的保护点在于DC/DC装置内部的具体电路结构，具体为：各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，和/或各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。也就是说，各第一功率单元中的核心功率器件为碳化硅开关管，和/或各第二功率单元中的核心器件也是碳化硅器件，而且，上述“和/或”的含义是指本发明可以同时保护上述两个发明点，也可以只保护其中任意一个，为了便于说明，本实施例中，以同时保护两个发明点为例，即：各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，且各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
基于上述基础技术方案，结合附图，以下给出一种具体的实施方式。
对于任意一个第一功率单元，第一功率单元为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，变压器单元的原边绕组串设在串联线路上，进一步地，变压器单元的原边绕组串设在第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管之间。本实施例中，第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管均为碳化硅MOSFET管，电压等级为1700V，电源系统包括4个DC/DC装置，如图1所示，电容支路上串设4只1500V的薄膜电容(C1-C4)，直流输入电压经过薄膜电容C1-C4分压，分成4个局部的母线电压。对于第一个DC/DC装置，碳化硅MOSFET管Q1、变压器T1的原边绕组和碳化硅MOSFET管Q2构成的串联线路连接薄膜电容C1的两端，并且，碳化硅MOSFET管Q1和变压器T1的原边绕组构成的线路与二极管D1并联，变压器T1的原边绕组和碳化硅MOSFET管Q2构成的线路与二极管D2并联。变压器T1为高频隔离变压器。
对于任意一个第二功率单元，整流电路具体为一条整流线路，该整流线路上串设碳化硅二极管，实现交流电的整流，变压器单元副边绕组串设在该整流线路上。如图1所示，整流线路上串设有两个碳化硅二极管D3和D4(SiC DIODE)，变压器T1的副边绕组串设在该线路上。
因此，电容C1、碳化硅MOSFET管Q1、碳化硅MOSFET管Q2、二极管D1、D2(二极管D1、D2为快恢复二极管)、变压器T1、以及碳化硅二极管D3和D4构成一个双管反激变换器。
其他三个DC/DC装置的电路结构与第一个DC/DC装置的相同，这里就不一一介绍，具体见图1。其他三个DC/DC装置也均为双管反激变换器，因此，电源系统的整体构型为：4个双管反激变换器的输入端级联连接，输出端并联连接。而且，DC/DC装置的并联连接处，即电源系统的电能输出端连接有直流母线电容，即电解电容E1。利用碳化硅MOSFET管耐高压、高速低导通阻抗的特点，局部实现一个双管反激电路，然后把4个双管反激电路级联起来，接到4500V的直流输入高压上。
为了实现图1所述电源系统主电路的正常运行，电源系统还包括一个控制驱动装置，本实施例给出一种具体的实现方式。
控制驱动装置包括控制模块和脉冲驱动信号输出模块，其中，控制模块用于产生控制驱动信号，本实施例中，控制模块为一种使用TI的控制芯片UCC28C44D，RST接到控制IC的电源引脚上，作为启动电阻，RT、CT设计IC的工作频率，在这里开关频率设置为60kHz，电阻RS采样变压器原边的电流，做峰值电流控制和过流保护用，控制芯片的PWM输出端，即OUT端输出控制驱动信号。
脉冲驱动信号输出模块的个数是至少两个，各脉冲驱动信号输出模块与各DC/DC装置一一对应。脉冲驱动信号输出模块包括脉冲变压器，脉冲变压器包括一个原边绕组和两个副边绕组，控制芯片的PWM输出端输出连接各脉冲变压器的原边绕组，各脉冲变压器的两个副边绕组分别控制连接对应开关电路上的第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管。进一步地，控制驱动装置还包括一个推挽电路，用于对控制驱动信号进行放大，控制芯片的PWM输出端连接推挽电路的输入端，推挽电路的输出端输出连接各脉冲变压器的原边绕组。
如图2所示，变压器T5-T8为脉冲变压器，脉冲变压器T5对应第一个DC/DC装置，脉冲变压器T6对应第二个DC/DC装置，脉冲变压器T7对应第三个DC/DC装置，脉冲变压器T8对应第四个DC/DC装置，推挽电路的输出端连接各脉冲变压器的原边，脉冲变压器T5的第一个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q1，第二个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q2；脉冲变压器T6的第一个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q3，第二个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q4；脉冲变压器T7的第一个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q5，第二个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q6；脉冲变压器T8的第一个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q7，第二个副边绕组控制连接碳化硅MOSFET管Q8。各副边绕组输出驱动对应的碳化硅MOSFET管。
电源系统的工作过程分开通和关断2个阶段，以第一个双管反激电路为例，其他组工作过程一样。当碳化硅MOSFET管Q1和Q2导通时，变压器T1(作用如同一个耦合电感)开始储能，根据变压器T1的同名端，二极管D3、D4反偏截止，在峰值电流到达控制环的设定值时，碳化硅MOSFET管Q1和Q2关断，二极管D3、D4正偏，开始向变压器T1的副边传送能量。并且，4个双管反激电路同步工作，在C1-C4的电压有偏差时，电压高的那路输出电流变大，就能够降低电容上的电压，有一定的电压平衡调节能力。图3是碳化硅MOSFET管上的电压波形图，图4是变压器原边的电流波形图。
本发明采用1700V的碳化硅MOSFET管组成双管反激电路，用4个双管反激电路级联，组成一个输入达到4500V高压辅助电源系统，可以实现350V-4500V的超高输入电压、超宽输入电压范围。并且，碳化硅MOSFET管效率高，比常用的Si器件实现高4-5个百分点；体积小，体积能小1/3以上；采用碳化硅MOSFET管，开关频率可以做到60kHz-80kHz，而用1700V的Si IGBT，开关频率只能做到10kHz-20kHz；碳化硅MOSFET管的损耗很小，不需要散热器。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
DC/DC装置实施例
本实施例提供一种DC/DC装置，该DC/DC装置为上述电源系统实施例中提供的电源系统的组成部分，进一步地，控制驱动装置还可以是DC/DC装置的一部分，相应地，控制驱动装置中的脉冲驱动信号输出模块只有一个。
该DC/DC装置可以单独保护，由于该DC/DC装置的电路结构在上述电源系统实施例中已给出了详细地描述，这里就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种基于碳化硅器件的电源系统，包括至少两个DC/DC装置以及用于连接直流电的电容支路，所述电容支路上串设有至少两个电容模块，各电容模块与DC/DC装置一一对应，所述DC/DC装置包括依次连接的第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，各第一功率单元的直流侧连接对应的电容模块，各第二功率单元的直流侧并联连接，构成所述电源系统的电能输出端，其特征在于，各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，和/或各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的电源系统，其特征在于，各第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，且各第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
3.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的电源系统，其特征在于，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
4.根据权利要求2所述的基于碳化硅器件的电源系统，其特征在于，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
5.根据权利要求4所述的基于碳化硅器件的电源系统，其特征在于，所述变压器单元的原边绕组串设在所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管之间，所述第一碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第一二极管，所述第二碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第二二极管。
6.一种DC/DC装置，包括依次连接的第一功率单元、变压器单元和第二功率单元，其特征在于，所述第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，和/或所述第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
7.根据权利要求6所述的DC/DC装置，其特征在于，第一功率单元为由碳化硅开关管以及相应的连接线路构成的开关电路，且第二功率单元为由碳化硅器件以及相应的连接线路构成的整流电路。
8.根据权利要求6所述的DC/DC装置，其特征在于，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
9.根据权利要求7所述的DC/DC装置，其特征在于，开关电路为一条串设有第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管的串联线路，所述变压器单元的原边绕组串设在所述串联线路上。
10.根据权利要求9所述的DC/DC装置，其特征在于，所述变压器单元的原边绕组串设在所述第一碳化硅开关管和第二碳化硅开关管之间，所述第一碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第一二极管，所述第二碳化硅开关管与变压器单元的原边绕组构成的线路并联有第二二极管。
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