CN117277852A - 一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法，所述变换器包括正负两个直流母线功率端子、两个直流母线电容、结构完全相同且相互并联的第A相电路、第B相电路和第C相电路，以及三个交流侧输出端子；每一相电路包括一个硅基桥臂、一个硅基桥臂滤波电感、一个碳化硅基桥臂、一个碳化硅基桥臂滤波电感；电流控制方法为所述硅基桥臂工作在1‑2kHz开关频率并承担主要功率，碳化硅基桥臂工作在50‑100kHz开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。与全碳化硅基变换器相比，本发明由于采用了数量更少、电流等级更低的碳化硅器件，成本更低；另一方面，因为电路工作在较高的等效开关频率下，可实现极佳的电能质量和较小的滤波器尺寸。

Description

一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法。
背景技术
近年来，宽禁带功率半导体器件的快速发展推动了电力电子领域的重大进步，其广泛应用于数据中心、电动汽车和光伏等场合。碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管等代表性器件提供了优异的开关特性，从而显著提高了效率并降低了损耗。然而，宽禁带技术在电力电子中的大规模应用面临两个重大挑战：高成本和有限的功率等级。例如，碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的当前价格是硅基绝缘栅双极型晶体管的3-8倍。目前，单个碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的最大额定电流显著低于硅基绝缘栅双极型晶体管。成本和电流等级阻碍了宽禁带器件在大功率场合的广泛应用。
为了解决这个问题，许多研究人员提出了混合概念，以充分利用硅和碳化硅器件的优势。他们将变换器中的碳化硅支路仅处理额定功率的一小部分，同时保持其高频优势。同时，硅器件支路在较低的开关频率下处理大部分额定功率，研究主要集中在直流-直流变换中。然而，适用于三相大功率直流/交流变换场合的多电平拓扑有待挖掘，同时如何实现混合器件之间的协同工作亟待突破。
文献“L.Zhang et al.,"A Si/SiC Hybrid Five-Level Active NPC InverterWith Improved Modulation Scheme,"in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.35,no.5,pp.4835-4846,May 2020.”提出了一种硅与碳化硅混合五电平变换器。通过特定的调制方式，硅器件工作在基频或低频，而碳化硅器件工作在载波频率(高频)。该变换器具有损耗小、成本低等优点。然而，电路中的碳化硅器件需要与硅器件具有相同的额定电流，并且这个拓扑不能扩展到三相逆变器应用，特别是在大功率场景中。
文献“C.Zhang et al.,"WBG and Si Hybrid Half-Bridge Power ProcessingToward Optimal Efficiency,Power Quality,and Cost Tradeoff,"in IEEETransactions on Power Electronics,vol.37,no.6,pp.6844-6856,June 2022.”提出了一种宽禁带器件与硅器件的混合半桥拓扑。此拓扑实现了效率、电能质量、成本的折中。然而，该拓扑依然无法适用于三相大功率直流-交流变换场合。
发明内容
本发明提出了一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法。根据提出的协调电流补偿控制方法，硅桥臂工作在低开关频率并承担主要功率，碳化硅桥臂工作在高开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。一方面，与全碳化硅变换器相比，由于采用了数量更少、电流等级更低的碳化硅器件，该变换器的成本更低。另一方面，与全硅基变换器相比，由于降低了硅器件开关频率，减少了硅器件开关损耗，同时电路工作在较高的等效开关频率下，可实现极佳的电能质量和较小的滤波器尺寸。
本发明采用以下技术方案实现：
一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，拓扑结构如下：包括正直流母线功率端子、负直流母线功率端子、两个直流母线电容、结构完全相同且相互并联的第A相电路、第B相电路和第C相电路，以及三个交流侧输出端子；每一相电路包括一个硅基桥臂、一个硅基桥臂滤波电感、一个碳化硅基桥臂、一个碳化硅基桥臂滤波电感；
两个直流母线电容串联连接，所述第A相电路、第B相电路和第C相电路共用两个直流母线电容；所述硅基桥臂采用三电平有源中性点箝位电路结构；针对每一相电路，所述硅基桥臂滤波电感一侧连接至硅基桥臂交流端，另一侧连接至交流侧输出端子；所述碳化硅基桥臂上桥臂漏极连接到正直流母线功率端子，上桥臂源极连接到下桥臂漏极，下桥臂源极连接到负直流母线功率端子；所述碳化硅基桥臂滤波电感一侧连接至碳化硅基桥臂上下桥臂公共端，另一侧连接至交流侧输出端子。
上述技术方案中，进一步地，所述硅基桥臂使用六个绝缘栅双极型晶体管，所述碳化硅基桥臂使用两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的电流等级大于金属氧化物半导体场效应晶体管。
进一步地，针对每一相电路，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q1x、Q6x的门极共用一组信号，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q5x、Q4x的门极共用一组信号，且两组门极信号互补，所述绝缘栅双极型晶体管Q1x、Q5x、Q6x、Q4x的开关频率为50Hz；所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q2x、Q3x的门极信号互补且开关频率为1-2kHz；所述碳化硅基桥臂的金属氧化物半导体场效应晶体管Q7x、Q8x的栅极信号互补且开关频率为50-100kHz；其中，x为a、b和c，分别代表第A相电路、第B相电路和第C相电路。
本发明还提供一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，所述硅基桥臂工作在1-2kHz开关频率并承担主要功率，碳化硅基桥臂工作在50-100kHz开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。
更进一步地，所述控制方法具体为：所述硅基桥臂的滤波电感值L1a＝L1b＝L1c＝L1，三相总电流的给定值为iabc_ref，引入分流系数K，0＜K＜1；硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_Si＝Kiabc_ref，用于处理主要功率；硅基桥臂的三相电流给定值通过坐标变换从abc静止坐标系变换至dq旋转坐标系，得到硅基桥臂dq轴电流给定值idref_Si与iqref_Si，采样得到硅基桥臂dq轴电流实际值id_Si与iq_Si，计算得到硅基桥臂dq轴电流给定值与实际值的差值，通过闭环电流控制得到硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si；将硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si与载波比较，得到硅基桥臂各绝缘栅双极型晶体管的开关状态。
所述碳化硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_SiC＝(1-K)iabc_ref+Δiabc_comp，其中(1-K)iabc_ref用于处理次要功率；Δiabc_comp＝iabc_ref_Si-iabc_Si为碳化硅基桥臂的电流纹波补偿值，用于补偿硅基桥臂的电流纹波，其中，iabc_Si为硅基桥臂三相电流采样值；采样得到碳化硅基桥臂三相电流实际值iabc_SiC，基于碳化硅基桥臂给定值与实际值的差值，通过高频控制器得到碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC；将碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC与载波比较，得到碳化硅基桥臂各金属氧化物半导体场效应晶体管的开关状态。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，与全碳化硅变换器相比，由于采用了数量更少、电流等级更低的碳化硅器件，成本更低；与全硅基变换器相比，由于降低了硅器件开关频率，减少了硅器件开关损耗。同时本发明的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，由于电路工作在较高的等效开关频率下，因此可实现极佳的电能质量和较小的滤波器尺寸。
附图说明
图1为三相混合器件叠加混合桥臂变换器拓扑示意图；
图2为硅基桥臂与碳化硅基桥臂协调电流补偿示意图；
图3为三相混合器件叠加混合桥臂变换器电流闭环控制框图；
图4为本发明所提方法的仿真电流波形。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步说明本发明。
本发明提出的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器拓扑如图1所示。所述三相混合器件叠加混合桥臂变换器包含正、负两个直流母线功率端子、两个直流母线电容(C1、C2)、结构完全相同且相互并联的第A相电路、第B相电路和第C相电路，以及三个交流侧输出端子。两个直流母线电容C1、C2串联连接，所述第A相电路、第B相电路和第C相电路共用两个直流母线电容。每一相电路包括一个硅基桥臂、一个硅基桥臂滤波电感、一个碳化硅基桥臂、一个碳化硅基桥臂滤波电感；所述硅基桥臂采用三电平有源中性点箝位电路结构。针对每一相电路，所述硅基桥臂滤波电感一侧连接至硅基桥臂交流端，另一侧连接至交流侧输出端子；所述碳化硅基桥臂上桥臂漏极连接到正直流母线功率端子，上桥臂源极连接到下桥臂漏极，下桥臂源极连接到负直流母线功率端子；所述碳化硅基桥臂滤波电感一侧连接至碳化硅基桥臂上下桥臂公共端，另一侧连接至交流侧输出端子。其中，硅基桥臂使用六个绝缘栅双极型晶体管，碳化硅基桥臂使用两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的电流等级大于金属氧化物半导体场效应晶体管。以第A相电路为例，硅器件Q1a和Q6a共用一组门极信号，硅器件Q5a和Q4a也共用一组门极信号，这两组门极信号互补且工作频率为基频(50Hz)。硅器件Q2a和Q3a门极信号互补且工作于低开关频率(1-2kHz)，碳化硅器件Q7a和Q8a栅极信号互补且工作于高开关频率(50-100kHz)。图中，ia_Si为流经硅基桥臂滤波电感L1a的电流，ia_SiC为流经碳化硅基桥臂滤波电感L2a的电流，ia是两个桥臂电流之和，即交流侧输出总电流。第B相电路与第C相电路与第A相电路结构相同，这里不再赘述。
以A相电路为例，硅基桥臂与碳化硅基桥臂协调电流补偿原理如图2所示。为了减少开关损耗，硅基桥臂工作在极低开关频率下承担主要输出功率。为了降低成本和体积，硅基桥臂滤波电感L1a比较小，这使得在每一个开关周期TSL内会产生较大的电流纹波Δia_Si。碳化硅基桥臂工作在较高开关频率下，用以消除硅基桥臂产生的电流纹波，并承担一小部分输出功率。碳化硅基桥臂的电流纹波Δia_SiC包含两个部分。第一部分是低频纹波，它与硅基桥臂的电流纹波Δia_Si极性相反，可以实现完全的纹波消除。其次是高频纹波，它直接决定了总电流的纹波。总电流纹波的周期与碳化硅基桥臂开关周期TSH相等。图中，为硅基桥臂电流平均值，/>为碳化硅基桥臂电流平均值，/>为总电流平均值。
针对提出的三相混合器件叠加混合桥臂变换器，同时提出了协调电流补偿闭环控制方法，控制框图如图3所示。该控制方法包括硅基桥臂控制回路和碳化硅基桥臂控制回路，这两个桥臂通过电感电流实现协同控制。假设每一相电路的硅基桥臂滤波电感值L1a＝L1b＝L1c＝L1，三相总电流的给定值为iabc_ref，引入分流系数K(0＜K＜1)，因此硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_Si＝Kiabc_ref，用于处理主要功率。硅基桥臂的三相电流给定值通过坐标变换从abc静止坐标系变换至dq旋转坐标系，得到硅基桥臂dq轴电流给定值idref_Si与iqref_Si，采样得到硅基桥臂dq轴电流实际值id_Si与iq_Si，计算得到硅基桥臂dq轴电流给定值与实际值的差值，通过闭环电流控制得到硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si；将硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si与载波比较，得到硅基桥臂各绝缘栅双极型晶体管的开关状态。碳化硅基桥臂的三相电流给定值由两部分组成，一部分为(1-K)iabc_ref，用于处理次要功率，另一部分为碳化硅基桥臂的电流纹波补偿值Δiabc_comp＝iabc_ref_Si-iabc_Si，用于补偿硅基桥臂的电流纹波，其中，iabc_Si为硅基桥臂三相电流采样值。因此碳化硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_SiC＝(1-K)iabc_ref+Δiabc_comp。采样得到碳化硅基桥臂三相电流实际值iabc_SiC，基于碳化硅基桥臂给定值与实际值的差值，通过高频控制器得到碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC；将碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC与载波比较，得到碳化硅基桥臂各金属氧化物半导体场效应晶体管的开关状态。图中，ω为dq旋转坐标系角频率(50Hz)，vdref_Si与vqref_Si为硅基桥臂dq轴电压调制波。
为了验证所提出的变换器与控制方法的可行性和有效性，在MATLB Simulink中进行了仿真。仿真系统的电路参数如表1所示。
表1仿真系统参数值
系统参数 参数值
直流电压UDC/交流电网线电压Vab 800V/380V
基波频率f 50Hz
硅基桥臂开关频率fswL 2kHz
碳化硅基桥臂开关频率fswH 50kHz
硅基桥臂滤波电感L1x 400μH
碳化硅基桥臂滤波电感L2x 100μH
直流母线电容C1/C2 5mF
仿真稳态电流波形如图4所示。硅基桥臂的电流纹波较大，如图4中(a)所示，纹波频率等于硅基桥臂开关频率。如图4中(b)所示，在0.09秒之前，碳化硅基桥臂仅补偿硅基桥臂产生的电流纹波；0.09秒后，总输出电流增大，碳化硅基桥臂开始承担部分输出功率。A相总电流如图4中(c)所示，可以清楚地看到，通过采用协调电流补偿控制方法，变换器的输出电流低频纹波被很好地消除，电网侧三相电流的总谐波失真(THD)从11.34％下降到2.33％。总体上，仿真结果与理论分析相吻合。

Claims (5)

1.一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，其特征在于，包括正直流母线功率端子、负直流母线功率端子、两个直流母线电容、结构完全相同且相互并联的第A相电路、第B相电路和第C相电路，以及三个交流侧输出端子；每一相电路包括一个硅基桥臂、一个硅基桥臂滤波电感、一个碳化硅基桥臂、一个碳化硅基桥臂滤波电感；
两个直流母线电容串联连接，所述第A相电路、第B相电路和第C相电路共用两个直流母线电容；所述硅基桥臂采用三电平有源中性点箝位电路结构；针对每一相电路，所述硅基桥臂滤波电感一侧连接至硅基桥臂交流端，另一侧连接至交流侧输出端子；所述碳化硅基桥臂上桥臂漏极连接到正直流母线功率端子，上桥臂源极连接到下桥臂漏极，下桥臂源极连接到负直流母线功率端子；所述碳化硅基桥臂滤波电感一侧连接至碳化硅基桥臂上下桥臂公共端，另一侧连接至交流侧输出端子。
2.根据权利要求1所述的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，其特征在于，所述硅基桥臂使用六个绝缘栅双极型晶体管，所述碳化硅基桥臂使用两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的电流等级大于金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，其特征在于，针对每一相电路，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q1x、Q6x的门极共用一组信号，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q5x、Q4x的门极共用一组信号，且两组门极信号互补，所述绝缘栅双极型晶体管Q1x、Q5x、Q6x、Q4x的开关频率为50Hz；所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管Q2x、Q3x的门极信号互补且开关频率为1-2kHz；所述碳化硅基桥臂的金属氧化物半导体场效应晶体管Q7x、Q8x的栅极信号互补且开关频率为50-100kHz；其中，x为a、b和c，分别代表第A相电路、第B相电路和第C相电路。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，其特征在于，所述硅基桥臂工作在1-2kHz开关频率并承担主要功率，碳化硅基桥臂工作在50-100kHz开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。
5.根据权利要求4所述的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，其特征在于，所述硅基桥臂的滤波电感值L1a＝L1b＝L1c＝L1，三相总电流的给定值为iabc_ref，引入分流系数K，0＜K＜1；硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_Si＝Kiabc_ref，用于处理主要功率；硅基桥臂的三相电流给定值通过坐标变换从abc静止坐标系变换至dq旋转坐标系，得到硅基桥臂dq轴电流给定值idref_Si与iqref_Si，采样得到硅基桥臂dq轴电流实际值id_Si与iq_Si，计算得到硅基桥臂dq轴电流给定值与实际值的差值，通过闭环电流控制得到硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si；将硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_Si与载波比较，得到硅基桥臂各绝缘栅双极型晶体管的开关状态；
所述碳化硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_SiC＝(1-K)iabc_ref+Δiabc_comp，其中(1-K)iabc_ref用于处理次要功率；Δiabc_comp＝iabc_ref_Si-iabc_Si为碳化硅基桥臂的电流纹波补偿值，用于补偿硅基桥臂的电流纹波，其中，iabc_Si为硅基桥臂三相电流采样值；采样得到碳化硅基桥臂三相电流实际值iabc_SiC，基于碳化硅基桥臂给定值与实际值的差值，通过高频控制器得到碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC；将碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_SiC与载波比较，得到碳化硅基桥臂各金属氧化物半导体场效应晶体管的开关状态。
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