CN108683345A - 一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，包括三相上下桥IGBT管、对应外接续流二极管，以及反向连接的交流IGBT开关；其交流侧设置LCL滤波器电路，而LCL滤波器电路变流器侧的电感由两个独立的电感组成。本发明上下IGBT管之间无死区，不仅可以实现能量的双向流动，有效减小了交流侧的电流谐波和电路的功率损耗，此外，通过设置反向连接的交流IGBT开关，可降低电流过零点畸变率，提高工作效率和工作性能。

Description

一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost变流器

技术领域

本发明涉及一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost变流器的研究，属于电力电子变流器的技术领域。

背景技术

随着新能源技术的发展，在光伏发电、风电、电动汽车充电桩等中高功率场合，三相AC/DC变流器都得到了广泛的应用，已成为新能源发电及电能质量治理的重要设备，市场需求越发迫切，是当今电力电子技术领域的热点。因此，优化三相AC/DC变流器的波形质量，提高工作可靠性，改进变流器拓扑等研究工作具有重要的意义。

传统硅基IGBT三相桥式变流器以其性能稳定、便于控制等优点得到了广泛的应用。然而其每相上、下桥臂功率管直接相连，存在开关直通问题，影响工作可靠性。为避免直通，必须给互补的桥臂驱动信号加入死区，引入额外的低频谐波，增加了滤波器的体积与成本；此外，硅基IGBT在开关时刻有较多的反向恢复电流流过互补功率管，不但增加其损耗，还容易导致其非正常的IGBT闭锁，引发故障同时容易产生电流过零点畸变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的不足，提供一种无需设置死区，减小交流侧低频谐波且电流过零点畸变率低的三相改进型双Buck/Boost变流器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost变流器，包括包括直流侧电容C_in1和C_in2、A相上桥IGBT管S_a1、A相下桥IGBT管S_a2、交流IGBT开关S_a3和S_a4、B相上桥IGBT管S_b1、B相下桥IGBT管S_b2、交流IGBT开关S_b3和S_b4、C相上桥IGBT管S_c1、C相下桥IGBT管S_c2、交流IGBT开关S_c3和S_c4、A 相上桥续流二极管D_a1、A相下桥续流二极管D_a2、B相上桥续流二极管 D_b1、B相下桥续流二极管D_b2、C相上桥续流二极管D_c1、C相下桥续流二极管D_c2；所述A相上桥IGBT管S_a1与A相下桥续流二极管D_a2的阴极相连于连接点O_a，A相上桥续流二极管D_a1的阳极与A相下桥IGBT 管S_a2相连于连接点M_a，所述B相上桥IGBT管S_b1与B相下桥续流二极管D_b2的阴极相连于连接点连接点O_b，B相上桥续流二极管D_b1的阳极与B相下桥IGBT管S_a2相连于连接点连接点M_b，所述C相上桥IGBT 管S_c1与C相下桥续流二极管D_c2的阴极相连于连接点O_c，C相上桥续流二极管D_c1的阳极与C相下桥IGBT管S_c2相连于连接点M_c；所述A 相O_a和直流电容器与电源中性点N’之间增加IGBTS_a3，S_a3的E极相连于O_a，S_a3的C极相连于直流电容器与电源中性点N’，A相M_a和直流电容器与电源中性点N’之间增加IGBTS_a4，S_a4的C极相连于M_a，S_a4的E极相连于直流电容器与电源中性点N’,B相O_b和直流电容器与电源中性点N’之间增加IGBTS_b3，S_b3的E极相连于O_b，S_b3的C极相连于直流电容器与电源中性点N’，B相M_b和直流电容器与电源中性点 N’之间增加IGBTS_b4，S_b4的C极相连于M_b，S_b4的E极相连于直流电容器与电源中性点N’,C相O_c和直流电容器与电源中性点N’之间增加IGBTS_c3，S_c3的E极相连于O_c，S_c3的C极相连于直流电容器与电源中性点N’，C相M_c和直流电容器与电源中性点N’之间增加IGBTS_c4， S_c4的C极相连于M_c，S_c4的E极相连于直流电容器与电源中性点N’。

所述A相上桥续流二极管D_a1、A相下桥续流二极管D_a2、B相上桥续流二极管D_b1、B相下桥续流二极管D_b2、C相上桥续流二极管D_c1、和C相下桥续流二极管D_c2均采用SiC肖特基二极管。

交流侧为LCL滤波器电路，所述LCL滤波器电路包括变流器侧第一滤波电感L_a1、变流器侧第二滤波电感L_a2、变流器侧第三滤波电感 L_b1、变流器侧第四滤波电感L_b2、变流器侧第五滤波电感L_c1、变流器侧第六滤波电感L_c2、网侧第一电感L_ag、网侧第二电感L_bg、第三电感L_cg、和网侧滤波电容；

所述A相上桥IGBT管S1和A相下桥IGBT管S2通过串联的第一滤波电感L_a1和第二滤波电感L_a2相连，B相上桥IGBT管S3和B相下桥IGBT管S4通过串联的第三滤波电感L_b1和第四滤波电感L_b2相连， C相上桥IGBT管S5和C相下桥IGBT管S6通过串联的第五滤波电感 L_c1和第六滤波电感L_c2相连；

第一滤波电感L_a1和第二滤波电感L_a2连线的中间节点通过网侧第一电感L_ag连接到输出端；

第三滤波电感L_b1和第四滤波电感L_b2连线的中间节点通过网侧第二电感L_bg连接到输出端；

第五滤波电感L_c1和第六滤波电感L_c2连线的中间节点通过网侧第三电感L_cg、连接到输出端。所述第一滤波电感L_a1和变流器侧第二滤波电感L_a2、变流器侧第三滤波电感L_b1和变流器侧第四滤波电感 L_b2以及变流器侧第五滤波电感L_c1和变流器侧第六滤波电感L_c2为独立电感。

本发明所达到的有益效果：本发明上下IGBT管之间无死区，不仅可以实现能量的双向流动，有效减小了交流侧的电流谐波和电路的功率损耗，以及交流侧滤波器的体积和成本，通过增反向IGBT降低电流过零点畸变率，提高工作效率和工作性能。

附图说明

图1是本发明三相改进型双Buck/Boost变流器结构图；

图2是本发明实施例中S_a1导通，S_a2关断，D_a1截止时的正向电流通路图；

图3是本发明实施例中S_a1关断，S_a2关断，D_a2导通时的正向电流通路图；

图4是本发明实施例中S_a2关断，S_a1关断，D_a1导通时的负向电流通路图；

图5是本发明实施例中S_a2导通，S_a1关断，D_a2截止时的负向电流通路图；

图6是本发明实施例中S_a1导通，S_a2关断，S_a4导通时的正向电流通路图；

图7是本发明实施例中S_a2导通，S_a1关断，S_a3导通时的负向电流通路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出三相双Buck/Boost变流器结构图；图1中的符号有以下说明：

C_in1～C_in2：直流侧电解电容，

S_x1～S_x2：三相上下桥臂功率IGBT管(x＝a,b,c)，

S_x3～S_x4：三相桥臂反向IGBT开关(x＝a,b,c)，

D_x1～D_x2：外接续流SiC二极管(x＝a,b,c),

La₁、La₂～Lc₁、Lc₂：三相滤波独立电感，

Ca～Cc：交流滤波电容，

Lag～Lcg：网侧电感，

ia₁、ia₂：流过电感La₁、La₂的电流，

Iar：等同于LCL滤波器的变流器侧电感电流，

Ua～Uc：a～c相的交流侧电压，

N’为直流电容器与电源中性点，

N”为滤波电容器中性点，

C_in1和C_in2为直流侧的电解电容，作为储能环节来平衡瞬时输入功率；交流侧为LCL滤波器电路，S_x1和S_x2(x＝a,b,c)分别为三相上、下桥臂功率IGBT管，其对应的外接续流二极管分别为D_x2和D_x1(x＝a,b,c)， D_x2和D_x1(x＝a,b,c)均采用SiC肖特基二极管。A相连接点Oa、Ma和电容中性点之间分别增加IGBTS_a3和S_a4、B相Oa、Ma和直流电容器与电源中性点N’之间分别增加IGBTS_b3和S_b4，C相Oa、Ma和直流电容器与电源中性点N’之间分别增加IGBTS_c3和S_c4，上述S_a3和S_a4，S_b3和S_b4，S_c3和S_c4仅在电流过零点时刻开关，因此相对主IGBT，S_a1和S_a2，S_b1和S_b2，S_c1和S_c2其容量较小。A相交流IGBT开关S_a3和S_a4、B相交流IGBT开关S_b3和S_b4以及C相交流IGBT开关S_c3和S_c4电流容量为其它IGBT电流容量的5％。

LCL滤波器电路由独立电感Lx₁、Lx₂，网侧电感Lgx，滤波电容Cx (x＝a,b,c)组成。以A相为例，变流器侧滤波电感La₁和La₂，其电感值相等，结构上通过采用两个独立电感。A相的上、下桥臂功率IGBT管 S_a1、S_a2则是通过La₁和La₂这两个交流侧滤波电感相连，避免了直通问题，无需在驱动信号中加入死区，进而减小了交流侧的低频谐波。

以下结合附图说明本发明电路在不同的导通模式下电流通路图。

无论是整流还是逆变，半周期控制模式下屏蔽的驱动信号始终是上管对应着电流负半周，下管对应电流正半周，故可按电流的正负与变化率可划分0～T/4、T/4～T/2、T/2～3T/4、3T/4～T四个工作区域。此外，为有效的控制电流过零点处的畸变，在过零点附近允许短暂的使用双IGBT管同时导通的模式。

当电流为正方向时，上桥臂功率IGBT管S_a1的驱动信号不可屏蔽，对应区域I和区域IV，电流通路如图2-图3所示；当电流为负方向时，下桥臂功率IGBT管S_a2的驱动信号不可屏蔽，对应区域II和区域III，电流通路如图4-图5所示。

1)区域I(0～T/4)

区域I对应iar正半周，基波值大小减小时的开关状态。

当S_a1导通、S_a2断开时，由于三相电流平衡，B、C相电流自然流通，如图2所示，Ma点电位低于P点电位，D_a1不能续流导通，虽然交流侧电流基波分量减小，但流过La₁的电流ia₁瞬时值增大。

当S_a1断开、S_a2断开时，由于三相电流平衡，B、C相电流自然流通，如图3所示，D_a2续流导通，Ma点电位低于P点电位，D_a1不能续流导通，流过La₁的电流ia₁瞬时值减小。

通过S_a1导通和关断，以及D_a2续流导通，可以实现电流正半波的PWM 调制，使电流的形状按需要的趋势变化，该过程中仅有一个高频 IGBTS_a1动作，且上下桥臂间无需设置死区，减小了交流侧的低频谐波。

当正电流趋于零时，此时S_a2断开、S_a1导通时，由于三相电流平衡， B、C相电流自然流通，如图6所示，导通S_a4，Oa点电位高于N点电位， D_a2不能续流导通，Ma点电位低于P点电位，D_a1不能续流导通，此时，直流母线的一般电压加于电感La1和La2之间，导致La2电流增加，部分电流流过S_a4，该运行模式可用于控制电流正向过零点的畸变。该模式下，S_a4流通的电流仅是过零点附近的小电流，因此该IGBT的容量较小，同时，由于此时IGBT的电压变化仅是直流母线的一半，因此该模式下的开关损耗较小，此外，由于电感La1和La2的限制作用，S_a1和S_a4之间不需设置严格的死区，控制比较简单。

2)区域II(T/4～T/2)

区域II对应iar负半周，基波值大小增大时的开关状态。

当S_a2断开、S_a1断开时，由于三相电流平衡，B、C相电流自然流通，如图4所示，D_a1续流导通，Oa点电位高于N点电位，D_a2不能续流导通，流过La₂的电流ia₂瞬时值减小。

当S_a2导通、S_a1断开时，由于三相电流平衡，B、C相电流自然流通，如图5所示，Ma点电位高于N点电位，D_a2不能续流导通，虽然交流侧电流基波分量增大，但流过La₂的电流ia₂瞬时值增大。

通过S_a2导通和关断，以及D_a1续流导通，可以实现电流正半波的 PWM调制，使电流的形状按需要的趋势变化，该过程中仅有一个高频 IGBTS_a2动作，且上下桥臂间无需设置死区，减小了交流侧的低频谐波。

当负电流趋于零时，此时S_a1断开、S_a2导通时，由于三相电流平衡， B、C相电流自然流通，如图7所示，导通S_a3，Oa点电位高于N点电位， D_a2不能续流导通，Ma点电位低于P点电位，D_a1不能续流导通，此时，直流母线的一般电压加于电感La1和La2之间，导致La1电流增加，部分电流流过S_a3，该运行模式可用于控制电流正向过零点的畸变。该模式下，S_a3流通的电流仅是过零点附近的小电流，因此该IGBT的容量较小，同时，由于此时IGBT的电压变化仅是直流母线的一半，因此该模式下的开关损耗较小，此外，由于电感La1和La2的限制作用，S_a2和S_a3之间不需设置严格的死区，控制比较简单。

3)区域III(T/2～T3/4)

区域III与区域II相同，基波值大小增大时的开关状态。

4)区域IV(3T/4～T)

区域IV与区域I相同，基波值大小减小时的开关状态。

本发明上下IGBT管之间无死区，不仅可以实现能量的双向流动，有效减小了交流侧的电流谐波和电路的功率损耗，此外，通过设置反向连接的交流IGBT开关，可降低电流过零点畸变率，提高工作效率和工作性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，包括直流侧和交流侧，其特征是，包括直流侧电容(C_in1)和(C_in2)、A相上桥IGBT管(S_a1)、A相下桥IGBT管(S_a2)、A相交流IGBT开关(S_a3)和(S_a4)、B相上桥IGBT管(S_b1)、B相下桥IGBT管(S_b2)、B相交流IGBT开关(S_b3)和(S_b4)、C相上桥IGBT管(S_c1)、C相下桥IGBT管(S_c2)、C相交流IGBT开关(S_c3)和(S_c4)、A相上桥续流二极管(D_a1)、A相下桥续流二极管(D_a2)、B相上桥续流二极管(D_b1)、B相下桥续流二极管(D_b2)、C相上桥续流二极管(D_c1)、C相下桥续流二极管(D_c2)；

所述A相上桥IGBT管(S_a1)的E极与A相下桥续流二极管(D_a2)的阴极相连于连接点O_a，A相上桥续流二极管(D_a1)的阳极与A相下桥IGBT管(S_a2)的C相连于连接点M_a，所述B相上桥IGBT管(S_b1)的E极与B相下桥续流二极管(D_b2)的阴极相连于连接点O_b，B相上桥续流二极管(D_b1)的阳极与B相下桥IGBT管(S_a2)的C极相连于连接点M_b，所述C相上桥IGBT管(S_c1)的E极与C相下桥续流二极管(D_c2)的阴极相连于连接点O_c，C相上桥续流二极管(D_c1)的阳极与C相下桥IGBT管(S_c2)的C极相连于连接点M_c；

A相连接点O_a和直流电容器与电源中性点(N’)之间连接A相交流IGBT开关(S_a3)，所述A相交流IGBT开关S_a3的E极相连于连接点O_a且C极相连于直流电容器与电源中性点(N’)，A相连接点M_a和直流电容器与电源中性点(N’)之间连接A相交流IGBT开关(S_a4)，所述A相交流IGBT开关S_a4的C极相连于M_a、S_a4的E极相连于直流电容器与电源中性点(N’)；B相连接点O_b和直流电容器与电源中性点(N’)之间连接B相交流IGBT开关(S_b3)，所述B相交流IGBT开关S_b3的E极相连于连接点O_b、S_b3的C极相连于直流电容器与电源中性点(N’)，B相连接点M_b和直流电容器与电源中性点(N’)之间连接B相交流IGBT开关(S_b4)，所述B相交流IGBT开关S_b4的C极相连于连接点M_b、S_b4的E极相连于直流电容器与电源中性点(N’)；C相连接点O_c和直流电容器与电源中性点(N’)之间连接C相交流IGBT开关(S_c3)，所述C相交流IGBT开关S_c3的E极相连于连接点O_c、S_c3的C极相连于直流电容器与电源中性点(N’)，C相连接点M_c和直流电容器与电源中性点(N’)之间增加C相交流IGBT开关(S_c4)，所述C相交流IGBT开关S_c4的C极相连于连接点M_c、S_c4的E极相连于直流电容器与电源中性点(N’)；

所述A相上桥续流二极管(D_a1)、A相下桥续流二极管(D_a2)、B相上桥续流二极管(D_b1)、B相下桥续流二极管(D_b2)、C相上桥续流二极管(D_c1)、和C相下桥续流二极管(D_c2)均采用SiC肖特基二极管。

2.根据权利要求1所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述交流侧为LCL滤波器电路，所述LCL滤波器电路包括变流器侧第一滤波电感(L_a1)、变流器侧第二滤波电感(L_a2)、变流器侧第三滤波电感(L_b1)、变流器侧第四滤波电感(L_b2)、变流器侧第五滤波电感(L_c1)、变流器侧第六滤波电感(L_c2)、网侧第一电感(Lag)、网侧第二电感(L_bg)、第三电感(L_cg)、和网侧滤波电容。

3.根据权利要求2所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述第一滤波电感(L_a1)和变流器侧第二滤波电感(L_a2)、变流器侧第三滤波电感(L_b1)和变流器侧第四滤波电感(L_b2)以及变流器侧第五滤波电感(L_c1)和变流器侧第六滤波电感(L_c2)为独立电感。

4.根据权利要求3任意所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述A相上桥IGBT管(S_a1)和A相下桥IGBT管(S_a2)通过串联的第一滤波电感(L_a1)和第二滤波电感(L_a2)相连，B相上桥IGBT管(Sb1)和B相下桥IGBT管(Sb2)通过串联的第三滤波电感(L_b1)和第四滤波电感(L_b2)相连，C相上桥IGBT管(Sc1)和C相下桥IGBT管(Sc2)通过串联的第五滤波电感(L_c1)和第六滤波电感(L_c2)相连。

5.根据权利要求4所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述第一滤波电感(L_a1)的一端连接于连接点O_a，另一端串联于第二滤波电感(L_a2)，所述第二滤波电感(L_a2)的另一端连接于连接点M_a；

所述第三滤波电感(L_b1)的一端连接于连接点O_b，另一端串联于第四滤波电感(L_b2)，所述第四滤波电感(L_b2)的另一端连接于连接点M_b；

所述第五滤波电感(L_c1)的一端连接于连接点O_c，另一端连接第六滤波电感(L_c2)，所述第六滤波电感(L_c2)的另一端连接连接点M_c。

6.根据权利要求4所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，

第一滤波电感(L_a1)和第二滤波电感(L_a2)连线的中间节点通过网侧第一电感L_ag连接到输出端；

第三滤波电感(L_b1)和第四滤波电感(L_b2)连线的中间节点通过网侧第二电感L_bg连接到输出端；

第五滤波电感(L_c1)和第六滤波电感(L_c2)连线的中间节点通过网侧第三电感L_cg、连接到输出端。

7.根据权利要求2所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，网测滤波电容包括第一滤波电容(C_a)、第二滤波电容(C_b)和第三滤波电容(C_c)；所述第一滤波电容(C_a)的一端连接在第一滤波电感(L_a1)和第二滤波电感(L_a2)连线的中间节点与电网侧电感L_ag之间；

所述第二滤波电容(C_b)的一端连接在第三滤波电感(L_b1)和第四滤波电感(L_b2)连线的中间节点与电网侧电感L_bg之间；

所述第三滤波电容(C_c)的一端连接在第五滤波电感(L_c1)和第六滤波电感(L_c2)连线的中间节点与电网侧电感L_cg之间。

8.根据权利要求7所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述第一滤波电容(C_a)、第二滤波电容(C_b)和第三滤波电容(C_c)的另一端都连接滤波电容器中性点(N”)。

9.根据权利要求1～8任意所述的基于SiC二极管的三相改进型双Buck/Boost的变流器，其特征在于，所述A相交流IGBT开关(S_a3)和(S_a4)、B相交流IGBT开关(S_b3)和(S_b4)以及C相交流IGBT开关(S_c3)和(S_c4)电流容量为其它IGBT电流容量的5％。