CN110492772A - 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器 - Google Patents

一种基于SiC MOSFET的三电平变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN110492772A
CN110492772A CN201910729813.7A CN201910729813A CN110492772A CN 110492772 A CN110492772 A CN 110492772A CN 201910729813 A CN201910729813 A CN 201910729813A CN 110492772 A CN110492772 A CN 110492772A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge arm
level converter
inductor
diode
harmonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910729813.7A
Other languages
English (en)
Inventor
吴鸣
宋振浩
郑楠
吕志鹏
孙丽敬
季宇
熊雄
寇凌峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN201910729813.7A priority Critical patent/CN110492772A/zh
Publication of CN110492772A publication Critical patent/CN110492772A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/126—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output using passive filters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明公开的一种基于SiC MOSFET的三电平变换器，所述三电平变换器的每一相均包括并联的上桥臂与下桥臂，且所述上桥臂与下桥臂通过电感器连接；每个桥臂由两个SiC MOSFET构成。本发明提供的技术方案能够降低三电平变换器的损耗、提高效率。

Description

一种基于SiC MOSFET的三电平变换器
技术领域
本发明涉及三电平变换器领域，具体涉及一种基于SiC MOSFET的三电平变换器。
背景技术
碳化硅材料与硅材料相比具有更高的击穿电场强度、更好的导热性能和更低的介电常数，这些特性使碳化硅材料的设备有向高频高电压领域发展的潜力。MOSFET器件与IGBT等开关器件相比具有更短的电压下降时间，而且MOSFET器件相比于IGBT在关断时不会出现尾流。这使MOSFET器件在高频领域的优势更加明显；同时，随着工业水平的发展，电网和电能用户对电能质量的要求越来越高，迫使变换器向着更高的频率发展。种种因素使SiCMOSFET器件在变换器中得以应用，伴随着广泛的应用出现了许多新的挑战。
由于变换器频率的提高造成SiC MOSFET模块的开关速度更快，在高开关频率下，SiC MOSFET模块动作时对寄生电容的充放电会产生不小的损耗，降低了变换器的效率；同时，寄生电容的充放电会产生极强的串扰信号，导致三电平变换器无法正常工作，发生由串扰信号导致的损耗，降低了效率。由于快速的开关速度与开关频率，还会产生大量的电磁干扰(EMI)，由于电磁干扰的产生导致了三电平变换器的损耗，降低了效率。在调制过程中，为了防止直通而设置的死区会带来谐波问题，由谐波问题导致三电平变换器的损耗，降低了效率。在这样的背景下，设计一种能够降低损耗、提高效率的新型SiC MOSFET器件三电平变换器就显得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中基于SiC MOSFET的三电平变换器所存在的上述不足，本发明提供一种基于SiC MOSFET的三电平变换器，所述三电平变换器的每一相均包括并联的上桥臂与下桥臂，且所述上桥臂与下桥臂通过电感器连接；
其中，每个桥臂由两个SiC MOSFET构成。
优选的，所述电感器，包括：
第一电感器(13)和第二电感器(14)；
所述第一电感器(13)与上桥臂连接，所述第二电感器(14)与下桥臂连接，用于抑制寄生电容充放电；
所述第一电感器(13)与第二电感器(14)串联，在所述第一电感器(13)与第二电感器(14)的中点设置输出端。
优选的，所述三电平变换器，还包括：第一谐波单元；
上桥臂与第一电感器(13)的连接点处通过所述第一谐波单元与直流侧负电平连接。
优选的，所述三电平变换器，还包括：第二谐波单元；
下桥臂与第二电感器(14)的连接点处通过所述第二谐波单元与直流侧正电平连接。
优选的，所述第一谐波单元和第二谐波单元分别包括：一个换流二极管或由多个换流二极管串联组成。
优选的，所述换流二极管采用肖特基二极管。
优选的，所述三电平变换器，还包括：第一钳位二极管(11)；
所述第一钳位二极管(11)与上桥臂的中点和直流侧中点连接。
优选的，所述三电平变换器，还包括：第二钳位二极管(12)；
所述第二钳位二极管(12)与下桥臂的中点和直流侧中点连接。
优选的，所述第一钳位二极管(11)和第二钳位二极管(12)采用肖特基二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的技术方案，所述三电平变换器的每一相均包括并联的上桥臂与下桥臂，且所述上桥臂与下桥臂通过电感器连接；每个桥臂由两个SiC MOSFET构成，能够降低三电平变换器的损耗、提高效率。
本发明提供的技术方案，所述三电平变换器还包括第一谐波单元和第二谐波单元；所述第一谐波单元的一端与上桥臂和第一电感器13的连接点连接，所述第一谐波单元的另一端与直流侧的负端连接；所述第二谐波单元的一端与下桥臂和第二电感器14的连接点连接，所述第二谐波单元的另一端与直流侧的正端连接；通过第一谐波单元和第二谐波单元能够进一步降低三电平变换器的损耗、提高效率。
附图说明
图1为本发明基于SiC MOSFET的三电平变换器一相拓扑结构图；
图2为本发明基于SiC MOSFET的三电平变换器三相拓扑结构图；
其中，1、2为直流侧电容；3、4、5、6为SiC MOSFET；7、8、9、10为换流二极管；11为第一钳位二极管；12为第二钳位二极管；13为第一电感器；14为第二电感器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的三电平变换器的拓扑结构，该拓扑使用两个SiC MOSFET构成一个桥臂；一相共有上下两个桥臂；在上下桥臂与输出点之间增加了两个电感器；各在上下桥臂的中点通过一个肖特基二极管与直流侧中点相连；输出端在两个电感器的中点引出；在上桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第一谐波单元，第一谐波单元的另一端与直流侧的负端连接；在下桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第二谐波单元，第二谐波单元的另一端与直流侧的正端连接。在本拓扑中，所使用的由两个肖特基二极管串联构成的第一谐波单元和第二谐波单元，是考虑到器件耐压需要的选择。若仅从拓扑角度考虑，第一谐波单元和第二谐波单元可分别等效为一个二极管，将第一谐波单元和第二谐波单元分别用一个肖特基二极管或者多个肖特基二极管串联替代应当被视为同一拓扑。
本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的分裂电感式三电平二极管中点钳位变换器拓扑，第一、通过在输出点两侧放置电感器限制了电流过充抑制了串扰问题和电磁干扰，降低了串扰问题和电磁干扰引起的损耗，提高了效率；第二、电感器也抑制了上、下桥臂开关过程中对寄生电容的充电电流，降低了系统的损耗；第三、连接直流侧一端和一相桥臂的第一谐波单元和第二谐波单元使用肖特基二极管，它的反向恢复电流极小，能有效的降低损耗；第四、肖特基二级管为三电平变换器提供了新的高低电平回路，使该拓扑可以在无死区的状态下正常运行，无死区运行模式在高开关频率运行时可以显著降低谐波，从而降低了由谐波引起的损耗，提高了效率。
针对现有的谐波问题、电磁干扰、串扰信号以及可靠性低等问题，本发明旨在提出一种能够降低谐波、电磁干扰和串扰、有效提高变换器性能的基于碳化硅MOSFET的三电平变换器拓扑结构。
为了实现上述目的，本发明提出一种新型的拓扑结构，拓扑如下：
(1)使用两个SiC MOSFET构成一个桥臂；一相共有上下两个桥臂；
(2)在上下桥臂与输出点之间增加了两个电感器；
(3)分别在上下桥臂的中点通过第一钳位二极管11和第二钳位二极管12与直流侧中点相连，所述第一钳位二极管11和第二钳位二极管12采用肖特基二极管；
(4)输出端在两个电感器的中点引出；
(5)在上桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第一谐波单元，第一谐波单元的另一端与直流侧的负端连接；
(6)在下桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第二谐波单元，第二谐波单元的另一端与直流侧的正端连接。
本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的三电平变换器，通过在输出点两侧放置电感器限制了电流过充，抑制了串扰问题和电磁干扰；从而也抑制了上、下桥臂开关过程中对寄生电容的充电电流，降低了系统的损耗；连接直流侧一端和上下桥臂的谐波单元使用肖特基二极管，它的反向恢复电流极小，能有效的降低损耗；同时，肖特基二级管为三电平变换器提供了新的高低电平回路，使该拓扑可以在无死区的状态下正常运行。
本发明构思在保证变换器可靠运行的前提下，提高变换器的效率和抗串扰能力、抑制谐波和电磁干扰。
实施例2
在变换器运行过程中，由于SiC MOSFET模块的快速动作，会对相邻模块的寄生电容充放电，从而形成串扰信号。同时，过大的充放电电流还会增加设备的损耗，高频的动作会带来电磁干扰问题。如果不对寄生电容充放电进行抑制可能会导致变换器损耗增大、无法正常运行甚至产生直通问题，最终导致整个变换器无法工作甚至损坏。为此，如图1中13、14所示，本拓扑在上下桥臂与输出点之间增加了两个电感器以抑制充放电电流从而抑制串扰问题并降低损耗和抑制电磁干扰。
其中，寄生电容指布线或者引脚在工作的时候形成电容特性，并没有一个真实的电容存在。
在三电平变换器的换流过程中，需要设置死区以防止直通问题。但是，在高频运行时，死区的设置会增加输出的谐波含量。为此，如图1中7、8、9、10所示，本拓扑在上桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第一谐波单元，第一谐波单元的另一端与直流侧的负端连接；在下桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第二谐波单元，第二谐波单元的另一端与直流侧的正端连接，这样就增加了一条不需要设置死区的换流回路，避免了死区带来的谐波问题，解决了由谐波问题产生的损耗，提高了效率。
普通二极管相比于肖特基二极管具有更大的反向恢复电流，会产生更多的损耗，为此，本拓扑中的二极管均采用肖特基二极管。
综上所述，如图1所示根据本发明实施例的一种分裂电感式三电平二极管中点钳位变换器拓扑，该拓扑使用两个SiC MOSFET构成一个桥臂；一相共有上下两个桥臂；在上下桥臂与输出点之间增加了两个电感器；各在上下桥臂的中点通过一个肖特基二极管与直流侧中点相连；输出端在两个电感器的中点引出；在上桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第一谐波单元，第一谐波单元的另一端与直流侧的负端连接；在下桥臂与电感器的连接点处连接一个由两个肖特基二极管串联构成的第二谐波单元，第二谐波单元的另一端与直流侧的正端连接。
本发明构思在上下桥臂与输出端间电感的加入抑制了寄生电容的充放电，解决了串扰问题同时降低了损耗。
本发明构思通过放置肖特基二极管产生了新的正负电平路径解决了直通问题，所以本拓扑在运行过程中可以不设置死区时间，减少了本拓扑的谐波含量。
此外，术语“1”、“2”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“1”、“2”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本拓扑中，所使用的由两个肖特基二极管串联构成的谐波单元，是考虑到器件耐压需要的选择。若仅从拓扑角度考虑，该谐波单元可等效为一个二极管。将该谐波单元用一个肖特基二极管或者多个肖特基二极管串联替代应当被视为同一拓扑。
在图1和图2中线路交叉点较多，在交叉点处使用黑色加粗点的为连接点，没有使用黑色加粗点的仅为线路交叉并没有连接；图2为三电平变换器的三相拓扑图，其中每一相的结构与图1中一相拓扑相同。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SiC MOSFET的三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器的每一相均包括并联的上桥臂与下桥臂，且所述上桥臂与下桥臂通过电感器连接；
其中，每个桥臂由两个SiC MOSFET构成。
2.如权利要求1所述的三电平变换器，其特征在于，所述电感器，包括：
第一电感器(13)和第二电感器(14)；
所述第一电感器(13)与上桥臂连接，所述第二电感器(14)与下桥臂连接，用于抑制寄生电容充放电；
所述第一电感器(13)与第二电感器(14)串联，在所述第一电感器(13)与第二电感器(14)的中点设置输出端。
3.如权利要求2所述的三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器，还包括：第一谐波单元；
上桥臂与第一电感器(13)的连接点处通过所述第一谐波单元与直流侧负电平连接。
4.如权利要求2所述的三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器，还包括：第二谐波单元；
下桥臂与第二电感器(14)的连接点处通过所述第二谐波单元与直流侧正电平连接。
5.如权利要求3或4任一所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一谐波单元和第二谐波单元分别包括：一个换流二极管或由多个换流二极管串联组成。
6.如权利要求5所述的三电平变换器，其特征在于，所述换流二极管采用肖特基二极管。
7.如权利要求1所述的三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器，还包括：第一钳位二极管(11)；
所述第一钳位二极管(11)与上桥臂的中点和直流侧中点连接。
8.如权利要求1所述的三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器，还包括：第二钳位二极管(12)；
所述第二钳位二极管(12)与下桥臂的中点和直流侧中点连接。
9.如权利要求7或8任一所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一钳位二极管(11)和第二钳位二极管(12)采用肖特基二极管。
CN201910729813.7A 2019-08-08 2019-08-08 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器 Pending CN110492772A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910729813.7A CN110492772A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910729813.7A CN110492772A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110492772A true CN110492772A (zh) 2019-11-22

Family

ID=68549973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910729813.7A Pending CN110492772A (zh) 2019-08-08 2019-08-08 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110492772A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201383764Y (zh) * 2008-11-28 2010-01-13 西安尤奈特电机控制技术有限公司 由功率mosfet构成的双向导通的逆变器
CN101783611A (zh) * 2010-01-15 2010-07-21 南京航空航天大学 分裂电感三电平光伏并网逆变器及其控制方法
CN108282103A (zh) * 2018-02-11 2018-07-13 许继电气股份有限公司 一种五电平逆变器
CN108448920A (zh) * 2018-03-29 2018-08-24 许继电气股份有限公司 一种五电平逆变器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201383764Y (zh) * 2008-11-28 2010-01-13 西安尤奈特电机控制技术有限公司 由功率mosfet构成的双向导通的逆变器
CN101783611A (zh) * 2010-01-15 2010-07-21 南京航空航天大学 分裂电感三电平光伏并网逆变器及其控制方法
CN108282103A (zh) * 2018-02-11 2018-07-13 许继电气股份有限公司 一种五电平逆变器
CN108448920A (zh) * 2018-03-29 2018-08-24 许继电气股份有限公司 一种五电平逆变器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106655853B (zh) 一种三电平逆变器
TWI468896B (zh) 功率因數校正電路
CN103001477A (zh) 将双极性结型晶体管用于缓冲电路的方法和缓冲电路
CN204362337U (zh) 电磁加热控制电路及电磁加热设备
CN109149986A (zh) 一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法
CN110401365A (zh) 用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块
CN106329975B (zh) 五电平变换装置
CN107104600B (zh) 模块化多电平变换器及电力电子变压器
CN101699699A (zh) 一种不间断电源
CN109039046A (zh) 一种模块化多电平换流器半全桥子模块的缓冲电路
CN106452146B (zh) 一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器
CN102437761B (zh) 一种单相全桥三电平逆变器及一种三相三电平逆变器
CN203761253U (zh) 变流器的电路支路和三相变流器
CN102664514A (zh) 开关管单元及五电平逆变器及具有该逆变器的发电系统
CN102857078A (zh) 一种基于焊接型igbt与压接型二极管反并联结构的换流单元
CN205265554U (zh) 一种五电平逆变单元及其应用电路
CN204906215U (zh) 具有直流侧故障阻断能力的mmc子模块电路
CN108964505A (zh) 一种t型变换电路及相应的三相变换电路和变换装置
CN104521122A (zh) 逆变驱动电路
CN110492772A (zh) 一种基于SiC MOSFET的三电平变换器
CN102801348A (zh) 三相五电平逆变器
CN103151938A (zh) 基于焊接型igbt与压接型二极管反并联串联结构的换流单元
CN102427307B (zh) 一种三相四线制三电平逆变器
CN105356779B (zh) 一种二极管钳位功率开关串联高压逆变器及其拓扑结构
CN208820700U (zh) 一种五电平升压型逆变器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191122

RJ01 Rejection of invention patent application after publication