CN120074264A - 一种碳化硅高压电源及其控制方法 - Google Patents

一种碳化硅高压电源及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN120074264A
CN120074264A CN202510534594.2A CN202510534594A CN120074264A CN 120074264 A CN120074264 A CN 120074264A CN 202510534594 A CN202510534594 A CN 202510534594A CN 120074264 A CN120074264 A CN 120074264A
Authority
CN
China
Prior art keywords
interface
voltage
silicon carbide
module
circuit
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.)
Granted
Application number
CN202510534594.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN120074264B (zh
Inventor
祝建军
舒贝利
柳晓飞
陈俊标
冯超
施秦峰
杨浩民
诸葛敬涛
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.)
Zhejiang Doway Advanced Technology Co ltd
Original Assignee
Zhejiang Doway Advanced Technology Co ltd
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 Zhejiang Doway Advanced Technology Co ltd filed Critical Zhejiang Doway Advanced Technology Co ltd
Priority to CN202510534594.2A priority Critical patent/CN120074264B/zh
Publication of CN120074264A publication Critical patent/CN120074264A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN120074264B publication Critical patent/CN120074264B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • 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
    • H02M7/53—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • 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
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • 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
    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2173—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a biphase or polyphase circuit arrangement
    • 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
    • H02M7/53—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本申请公开了一种碳化硅高压电源及其控制方法，涉及高压电源技术领域，解决了集成化高压电源不便于检修和维护，以及集成化高压电源需要全部安装在靠近负载设备的户外所导致的运行稳定性和寿命易因受户外运行环境的影响的问题，该方法包括模块化设计的碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块，碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块通过可拆卸的电缆连接，碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块可以远距离安装在不同位置，低压部分的碳化硅MOSFET逆变控制模块安装在室内，不易受户外环境的影响，同时方便控制操作、巡视、检修维保等，高压部分的升压整流高压模块，靠近负载设备安装在远方户外，方便与负载设备高压连接，避免高压安全隐患。

Description

一种碳化硅高压电源及其控制方法
技术领域
本申请涉及高压电源技术领域，尤其是一种碳化硅高压电源及其控制方法。
背景技术
高压电源，属于特种电源设备，广泛应用于环境保护领域，如钢铁、水泥、燃煤发电、污水处理等行业的污染治理。
高压电源，通常包括控制电路、直流电路、逆变电路、升压电路、高压整流电路等，其中包含了很多半导体器件。近年来，随着电动汽车、新能源产业的发展，第三代碳化硅半导体技术的开始规模量产和批量应用。碳化硅MOSFET具有其高度稳定的晶体结构和较高的能带宽度，工作频率远高于硅半导体IGBT模块，同时具有优异的高温工作特性，低的开关损耗低，非常适合应用于高压电源，降低电源损耗，提升电源效率，降低用户运行成本。同时，通过碳化硅MOSFET应用于逆变电路，提升逆变器的工作频率，可以有效降低高压电源变压器的体积。
现有高压电源集成度很高，控制电路、直流电路、逆变电路、升压电路、高压整流电路等集成为一个整体，集成度高体积小，现场所需要的安装空间场地小，具有很大的优势。但高压电源安装在户外运行，户外运行时一年四季环境温度变化很大，夏天环境温度在+35℃至+50℃，冬天环境温度在-25℃至-45℃，且不同运行环境的湿度与环境中空气的洁净度也大相径庭，导致不同环境运行下高压电源可靠性与寿命存在较大差异。户外运行时，如果在高温、下雨、下雪、大风等恶劣天气下遇高压电源故障，集成化高压电源检修也极其困难。
另外，还会遇到易燃易爆场合，如钢铁厂，转炉炼钢的工艺中会产生大量一氧化碳等易燃易爆气体，集成化高压电源大量电路需要散热设计，不利于实现防爆场合的设计与应用。集成化高压电源低压控制与高压部分集成在一起，也有一定安全隐患。
基于特殊场合的应用，日常巡检与故障维护方便程度等因素，对高压电源产生了新的需求。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术中集成化高压电源不便于检修和维护，以及集成化高压电源需要全部安装在靠近负载设备的户外所导致的运行稳定性和寿命易因受户外运行环境的影响的问题，提供一种碳化硅高压电源及其控制方法。
第一方面，提供了一种碳化硅高压电源，包括碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块，所述碳化硅MOSFET逆变控制模块具有第一模块互连接口，所述升压整流高压模块具有第二模块互连接口，所述第一模块互连接口通过可拆卸的电缆与第二模块互连接口电性连接。
在一些可能的实现方式中，所述碳化硅MOSFET逆变控制模块包括三相整流电路和控制器，所述三相整流电路的输入端通过断路器连接有第一外部接口，所述三相整流电路的输出端并联有滤波电路和碳化硅MOSFET逆变电路，所述三相整流电路还电性连接有监控接口，所述监控接口与控制器电性连接，所述控制器还电性连接有人机交互模块和逆变散热模块，所述控制器和碳化硅MOSFET逆变电路的输出端均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器也连接至第一外部接口，具体的，所述三项整流电路包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五和二极管六，所述碳化硅MOSFET逆变电路包括第一碳化硅MOSFET、第二碳化硅MOSFET、第三碳化硅MOSFET和第四碳化硅MOSFET，所述二极管一的负极与二极管二的正极电性连接，所述二极管三的负极与二极管四的正极电性连接，所述二极管五的负极与二极管六的正极电性连接，所述二极管一、二极管三和二极管五的负极均通过断路器连接至第一外部接口，所述二极管一、二极管三和二极管五的正极均连接至滤波电路、第三碳化硅MOSFET的源极和第四碳化硅MOSFET的源极，所述二极管二、二极管四和二极管六的负极均连接至监控接口、滤波电路、第一碳化硅MOSFET的漏极和第二碳化硅MOSFET的漏极，所述第二碳化硅MOSFET和第三碳化硅MOSFET的栅极均通过导通控制电平转换器连接第一PWM驱动信号，所述第一碳化硅MOSFET和第四碳化硅MOSFET的栅极均通过导通控制电平转换器连接第二PWM驱动信号，所述第一碳化硅MOSFET和第二碳化硅MOSFET的源极均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器与监控接口、第一模块互连接口和第一外部接口电性连接，所述控制器电性连接有人机交互模块和逆变散热模块；
所述碳化硅MOSFET逆变控制模块中所述碳化硅MOSFET逆变电路的最小工作频率应满足如下公式：
其中，Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；Up为碳化硅MOSFET逆变电路交流电压的输出最大电压峰值；Np为升压变压器初级线圈匝数；△Bm为升压变压器磁芯材料最高允许磁密的变化值；S为升压变压器磁芯的截面积。
在一些可能的实现方式中，所述第一模块互连接口包括频率幅值可调制交流输出接口、高压输出电压与电流模拟量输入接口、变压器温度模拟量输入接口和变压器油位开关量输入接口，所述频率幅值可调制交流输出接口与所述碳化硅MOSFET逆变电路电性连接，具体的，所述频率幅值可调制交流输出接口与所述第一碳化硅MOSFET和第二碳化硅MOSFET的源极电性连接，所述高压输出电压与电流模拟量输入接口、变压器温度模拟量输入接口和变压器油位开关量输入接口均与控制器电性连接。
在一些可能的实现方式中，所述第一外部接口包括安全连接锁接口、第一接地接口、DCS分布式集中控制接口、上位机监控系统控制接口和三相工频交流电源接口，所述安全连接锁接口、第一接地接口、DCS分布式集中控制接口和上位机监控系统控制接口均与控制器电性连接，所述三相工频交流电源接口与断路器电性连接，所述安全连接锁接口通过电缆与安全连接锁信号输入接口连接，所述安全连接锁信号输入接口电性连接有外部安全连锁开关。
在一些可能的实现方式中，所述升压整流高压模块内部采用高压绝缘油导热，热量被绝缘油传导到升压整流高压模块的散热油箱外部散热片，所述升压整流高压模块包括升压变压器、温度传感器和油位传感器，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈连接有高压整流电路，所述高压整流电路通过采样电路连接有第二外部接口，所述高压整流电路还通过采样电路与第二模块互连接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接，具体的，所述采样电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述高压整流电路包括二极管八、二极管九、二极管十和二极管十一，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈的一端与二极管八的负极和二极管九的正极电性连接，所述升压变压器的输出线圈的另一端与二极管十的负极和二极管十一的正极电性连接，所述二极管八和二极管十的正极均与第三电阻的一端和第二外部接口电性连接，所述二极管九和二极管十一的负极均与第二电阻的一端和第二模块互连接口电性连接，所述第三电阻的另一端与第一电阻的一端电性连接，所述第三电阻的另一端还与第二模块互连接口电性连接，所述第二电阻的另一端和第一电阻的另一端均与第二模块互连接口和第二外部接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接；
所述升压整流高压模块中所述升压变压器的初级线圈串联电感LS，在碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率在最小频率Fmin时，应满足如下公式：
U1RMS为升压整流高压模块中升压变压器初级线圈输入最大有效值；Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；LS为升压整流高压模块中升压变压器初级线圈漏感或串联电感；N为升压整流高压模块中升压变压器变比；I2RMS升压整流高压模块中高压额定电流输出有效值。
在一些可能的实现方式中，所述第二模块互连接口包括变压器初级线圈输入接口、高压输出电压与电流信号接口、变压器温度信号接口和油位信号接口，其中，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与变压器初级线圈输入接口电性连接，所述采样电路与高压输出电压与电流信号接口电性连接，具体的，所述二极管九的负极和第一电阻的两端均与高压输出电压与电流信号接口电性连接，所述变压器温度信号接口与温度传感器电性连接，所述油位信号接口与油位传感器电性连接，所述温度传感器和油位传感器安装于升压整流高压模块的散热油箱内，所述变压器初级线圈输入接口通过电缆与频率幅值可调制交流输出接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述高压输出电压与电流信号接口与高压输出电压与电流模拟量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述变压器温度信号接口与变压器温度模拟量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述油位信号接口与变压器油位开关量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接。
在一些可能的实现方式中，所述第二外部接口包括高压接口和第二接地接口，所述高压接口与二极管八的正极电性连接，所述高压接口和第二接地接口分别与采样电路的两端电性连接，具体的，所述第二接地接口与第二电阻远离二极管九的一端电性连接。
第二方面，提供了一种碳化硅MOSFET逆变控制模块，包括三相整流电路和控制器，所述三相整流电路的输入端通过断路器连接有第一外部接口，所述三相整流电路的输出端并联有滤波电路和碳化硅MOSFET逆变电路，所述三相整流电路还电性连接有监控接口，所述监控接口与控制器电性连接，所述控制器还电性连接有人机交互模块和逆变散热模块，所述控制器和碳化硅MOSFET逆变电路的输出端均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器也连接至第一外部接口，具体的，所述三项整流电路包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五和二极管六，所述碳化硅MOSFET逆变电路包括第一碳化硅MOSFET、第二碳化硅MOSFET、第三碳化硅MOSFET和第四碳化硅MOSFET，所述二极管一的负极与二极管二的正极电性连接，所述二极管三的负极与二极管四的正极电性连接，所述二极管五的负极与二极管六的正极电性连接，所述二极管一、二极管三和二极管五的负极均通过断路器连接至第一外部接口，所述二极管一、二极管三和二极管五的正极均连接至滤波电路、第三碳化硅MOSFET的源极和第四碳化硅MOSFET的源极，所述二极管二、二极管四和二极管六的负极均连接至监控接口、滤波电路、第一碳化硅MOSFET的漏极和第二碳化硅MOSFET的漏极，所述第二碳化硅MOSFET和第三碳化硅MOSFET的栅极均通过导通控制电平转换器连接第一PWM驱动信号，所述第一碳化硅MOSFET和第四碳化硅MOSFET的栅极均通过导通控制电平转换器连接第二PWM驱动信号，所述第一碳化硅MOSFET和第二碳化硅MOSFET的源极均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器与监控接口、第一模块互连接口和第一外部接口电性连接，所述控制器电性连接有人机交互模块和逆变散热模块。
第三方面，提供了一种升压整流高压模块，包括升压变压器、温度传感器和油位传感器，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈连接有高压整流电路，所述高压整流电路通过采样电路连接有第二外部接口，所述高压整流电路还通过采样电路与第二模块互连接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接，具体的，所述采样电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述高压整流电路包括二极管八、二极管九、二极管十和二极管十一，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈的一端与二极管八的负极和二极管九的正极电性连接，所述升压变压器的输出线圈的另一端与二极管十的负极和二极管十一的正极电性连接，所述二极管八和二极管十的正极均与第三电阻的一端和第二外部接口电性连接，所述二极管九和二极管十一的负极均与第二电阻的一端和第二模块互连接口电性连接，所述第三电阻的另一端与第一电阻的一端电性连接，所述第三电阻的另一端还与第二模块互连接口电性连接，所述第二电阻的另一端和第一电阻的另一端均与第二模块互连接口和第二外部接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接。
第四方面，提供了一种碳化硅高压电源的控制方法，用于控制如上述第一方面中所述的碳化硅高压电源，所述控制方法包括：
控制滤波电路的预充电回路，对滤波电路进行预充电，在滤波电路预充电完成时控制三相整流电路导通；
判断是否发生短路、故障或外部安全连锁开关断开；
若判断结果为是，则断开断路器；
通过第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路将直流电逆变为频率和幅值可调制的交流电，其中，所述第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式。
本申请具有如下有益效果：
1、本申请的高压电源分为两个独立的碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块，使得碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块通过第一模块互连接口和第二模块互连接口实现远距离安装在不同位置，低压部分的碳化硅MOSFET逆变控制模块就近安装在户内控制室，可以改善碳化硅MOSFET逆变控制模块运行环境条件提高设备可靠性与寿命，不易受户外环境的影响，同时方便控制操作、巡视、检修维保等；高压部分的升压整流高压模块，靠近负载设备安装在远方户外，方便与负载设备高压连接，避免高压安全隐患，同时模块化的设计还可以简化制造工艺流程，方便标准化生产。
2、本申请碳化硅MOSFET逆变控制模块的逆变电路以碳化硅MOSFET为核心，可提升逆变电路的工作频率，从而提升逆变器调制交流电输出的频率，交流电输出的频率提高可以极大降低升压整流高压模块的重量、体积，以及制造成本，同时降低电源逆变电路的开关损耗，可以提升高压电源的效率。
3、本申请的高压电源通过设置人机交互模块、DCS分布式集中控制接口、上位机监控系统控制接口，能够实现就地人机操作、上位机监控系统控制和DC分布式集中控制，并且通过设置安全连接锁接口、安全连接锁信号输入接口和外部安全连锁开关，能够通过外部安全连锁开关的开关信号自动在危险发生之前断开断路器，彻底断开高压电源。
4、本申请的碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块是两个独立分离模块，碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块可以作为独立的产品销售，检修维保时根据需要购买，同时碳化硅MOSFET逆变控制模块也可以做为独立产品用改造升级晶闸管控制的高压电源等设备。
5、本申请的第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式选择，可以实现适配有反并联碳化硅二极管的组合碳化硅MOSFET器件以及没有反并联碳化硅二极管的纯碳化硅MOSFET器件，进一步支持高压电源输出的线性交流调制与非线性交流调制，适用于不同负载特性，实现高压电源节能优化控制输出。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用于来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1的碳化硅高压电源的结构示意图；
图2是本申请实施例1的碳化硅高压电源的电路图；
图3是本申请实施例1的碳化硅高压电源中碳化硅MOSFET逆变电路单极性SPWM调制波形图；
图4是本申请实施例1的碳化硅高压电源中碳化硅MOSFET逆变电路双极性SPWM调制波形图；
图5是本申请实施例1的碳化硅高压电源中碳化硅MOSFET逆变电路线性交流调制控制高压电源输出波形图；
图6是本申请实施例1的碳化硅高压电源中碳化硅MOSFET逆变电路非线性交流调制控制高压电源输出波形图；
图7是本申请实施例2的碳化硅MOSFET逆变控制模块的电路图；
图8是本申请实施例3的升压整流高压模块的电路图；
图9是本申请实施例4的碳化硅高压电源的控制方法的流程图。
附图标记：
100、碳化硅MOSFET逆变控制模块；200、升压整流高压模块；300、第一模块互连接口；400、第二模块互连接口；500、电缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本申请实施例1所涉及的一种碳化硅高压电源，包括碳化硅MOSFET逆变控制模块100和升压整流高压模块200两个独立分离的模块，所述碳化硅MOSFET逆变控制模块100具有第一模块互连接口300，所述升压整流高压模块200具有第二模块互连接口400，所述第一模块互连接口300通过可拆卸的电缆500与第二模块互连接口400电性连接，碳化硅MOSFET逆变控制模块100和升压整流高压模块200可相远隔离距离安装在不同的位置，并保持碳化硅高压电源完整的控制功能，可以改善碳化硅MOSFET逆变控制模块100运行环境条件提高设备可靠性与寿命，不易受户外环境的影响，同时方便控制操作、巡视、检修维保等；高压部分的升压整流高压模块200，靠近负载设备安装在远方户外，方便与负载设备高压连接，避免高压安全隐患，同时模块化的设计还可以简化制造工艺流程，方便标准化生产。
两个独立分离模，低压部分的碳化硅MOSFET逆变控制模块100就近安装在户内控制室，可以改善碳化硅MOSFET逆变控制模块100运行环境条件提高设备可靠性与寿命，同时方便控制操作、巡视、检修维保等，高压部分的升压整流高压模块200，靠近负载设备安装在远方户外，方便与负载高压连接，避免高压安全隐患。
其中，碳化硅MOSFET逆变控制模块100由断路器、三相整流电路、滤波电路、碳化硅MOSFET逆变电路、逆变散热模块、具有嵌入式控制系统的控制器A1、人机交互模块HMI、第一模块互连接口300、第一外部接口组成，第一模块互连接口300包括用于高压输出电压模拟量输入接口、高压输出电流模拟量输入接口、变压器温度模拟量输入接口、变压器油位开关量输入接口、频率幅值可调制交流输出接口。碳化硅MOSFET逆变电路通过逆变散热模块采用液体冷却循环冷却方式散热。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100采用柜体设计，柜体高度在1.8m-2.5m之间，宽度在600mm-800mm之间，深度在600mm-800mm之间。
其中，升压整流高压模块200由升压变压器、升压变压器的初级线圈（即输入线圈）串联电感（注：可以是升压变压器本身的漏感）、高压整流电路、采样电路、油位传感器、温度传感器、第二模块互连接口400、第二外部接口组成，第二模块互连接口400高压输出电压信号接口、高压输出电流信号接口、变压器温度信号接口、油位信号接口、变压器初级线圈输入接口。升压整流高压模块200内部采用高压绝缘油导热，热量被绝缘油传导到升压整流高压模块200的油箱外部散热片，油箱外部散热片与空气交换实现自然冷却。
升压整流高压模块200的输出最大额定电压平均值范围为40kV-200kV，支持高压0-额定全范围输出调节。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100中第一模块互连接口300与升压整流高压模块200中第二模块互连接口400通过电缆500连接，电缆500长度不大于1000米。
碳化硅MOSFET逆变电路，以碳化硅MOSFET半导体开关器件为核心，受嵌入式控制系统闭环控制，逆变电路载波频率为10k-20kHZ，基于载波频率将直流逆变调制为频率可调范围为50-1000HZ，电压幅值可调范围为0-2048级的交流电。
升压整流高压模块200中升压变压器的最小工作频率，与变压器的体积与重量相关，频率越高变压器的体积与重量越小，频率越低变压器的体积与重量越大。新变压器一般会按更高的频率设计与碳化硅逆变电路的匹配，但市场还存在很多工频50HZ的变压器，为兼容工频50HZ的变压器，频率可调范围下限设定50HZ。1000HZ变压器的磁芯截面相对与50HZ变压器的磁芯截面可以缩小20倍。
碳化硅MOSFET逆变电路的最小工作频率Fmin与升压整流高压模块200中升压变压器线圈匝数及磁芯有关，碳化硅MOSFET逆变电路的最小工作频率Fmin应满足如下公式：
Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；Up为碳化硅MOSFET逆变电路交流电压的输出最大电压峰值；Np为升压变压器初级线圈匝数；△Bm为升压变压器磁芯材料最高允许磁密的变化值；S为升压变压器磁芯的截面积。
碳化硅MOSFET逆变电路中碳化硅MOSFET器件的电流应同时满足如下公式：
；
且。
其中，IDM为碳化硅MOSFET器件的漏极峰值电流，U1RMS为升压整流高压模块200中升压变压器初级线圈输入最大有效值，Fmin为升压整流高压模块200中升压变压器最小允许的工作频率，LS为升压整流高压模块200中升压变压器初级线圈漏感或串联电感。
ID为碳化硅MOSFET器件的漏极额定电流值；U1RMS为升压整流高压模块200中升压变压器初级线圈输入最大有效值；U2AV升压整流高压模块200中高压额定电压输出平均值，I2AV升压整流高压模块200中高压额定电流输出平均值。
为了限制碳化硅高压电源高压输出短路时对碳化硅MOSFET器件的冲击，升压整流高压模块200中升压变压器的初级线圈串联电感LS（注：可以是升压变压器本身的漏感），在碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率在最小频率Fmin时，应满足如下公式：
U1RMS为升压整流高压模块200中升压变压器初级线圈输入最大有效值；Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；LS为升压整流高压模块200中升压变压器初级线圈漏感或串联电感；N为升压整流高压模块200中升压变压器变比；I2RMS升压整流高压模块200中高压额定电流输出有效值。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100的嵌入式控制系统，通过两路驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路，驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式选择，可以实现适配有反并联碳化硅二极管的组合碳化硅MOSFET器件以及没有反并联碳化硅二极管的纯碳化硅MOSFET器件，进一步支持高压电源输出的线性交流调制与非线性交流调制，实现适用于不同负载特性，实现高压电源节能优化控制输出。非线性交流调制，由T1时间与T2时间组成一个调制单位时间周期，T1时间控制高压电源输出电压的峰值，T2时间控制高压电源输出电压的谷值，重复循环，且T1时间、T2时间分别为逆变产生交流变化周期一半时间的整数倍。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100的嵌入式控制系统，同时支持就地人机操作、上位机监控系统控制、DCS分布式集中控制。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100的安全连接锁接口，设有安全连锁保护机制，可以在危险发生之前断开高压电源的配电断路器，彻底断开高压电源。
如图2所示，碳化硅高压电源包括碳化硅MOSFET逆变控制模块100与升压整流高压模块200两个独立分离模块，碳化硅MOSFET逆变控制模块100包括断路器QF1、三相整流电路ZD1（三项整流电路包括二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、二极管五D5和二极管六D6）、滤波电路C1、碳化硅MOSFET逆变电路、逆变散热模块COOLING SYSTEM、具有嵌入式控制系统的控制器A1、人机交互模块HMI和第一外部接口，所述碳化硅MOSFET逆变电路包括第一碳化硅MOSFETVT1、第二碳化硅MOSFETVT2、第三碳化硅MOSFETVT3和第四碳化硅MOSFETVT4，所述二极管一D1的负极与二极管二D2的正极电性连接，所述二极管三D3的负极与二极管四D4的正极电性连接，所述二极管五D5的负极与二极管六D6的正极电性连接，所述二极管一D1、二极管三D3和二极管五D5的负极均通过断路器QF1连接至第一外部接口，所述二极管一D1、二极管三D3和二极管五D5的正极均连接至滤波电路C1、第三碳化硅MOSFETVT3的源极和第四碳化硅MOSFETVT4的源极，所述二极管二D2、二极管四D4和二极管六D6的负极均连接至监控接口QD1、滤波电路C1、第一碳化硅MOSFETVT1的漏极和第二碳化硅MOSFETVT2的漏极，所述第二碳化硅MOSFETVT2和第三碳化硅MOSFETVT3的栅极均通过导通控制电平转换器连接第一PWM驱动信号PWM1，所述第一碳化硅MOSFETVT1和第四碳化硅MOSFETVT4的栅极均通过导通控制电平转换器连接第二PWM驱动信号PWM2，所述第一碳化硅MOSFETVT1和第二碳化硅MOSFETVT2的源极均与第一模块互连接口300电性连接，所述控制器A1与监控接口QD1、第一模块互连接口300和第一外部接口电性连接，所述控制器A1电性连接有人机交互模块HMI和逆变散热模块COOLING SYSTEM，嵌入式控制系统通过监控接口QD1控制三相整流电路ZD1，可以实现对整流后直流电压进行监控，预充电控制等，碳化硅MOSFET逆变控制模块100的逆变电路以碳化硅MOSFET为核心，可提升逆变电路的工作频率，从而提升逆变器调制交流电输出的频率，交流电输出的频率提高可以极大降低升压整流高压模块200的重量、体积，以及制造成本，同时降低电源逆变电路的开关损耗，可以提升高压电源的效率。
碳化硅MOSFET逆变电路通过逆变散热模块COOLING SYSTEM采用液体冷却循环冷却方式散热，嵌入式控制系统通过控制器A1的CS1接口控制逆变散热模块COOLING SYSTEM。
第一模块互连接口300包括频率幅值可调制交流输出接口J11、高压输出电压与电流模拟量输入接口J12、变压器温度模拟量输入接口J13和变压器油位开关量输入接口J14，所述频率幅值可调制交流输出接口J11与所述第一碳化硅MOSFETVT1和第二碳化硅MOSFETVT2的源极电性连接，所述高压输出电压与电流模拟量输入接口J12、变压器温度模拟量输入接口J13和变压器油位开关量输入接口J14均与控制器A1电性连接。
第一外部接口包括安全连接锁接口W11、第一接地接口W12、DCS分布式集中控制接口W13、上位机监控系统控制接口W14和三相工频交流电源接口W15，所述安全连接锁接口W11、第一接地接口W12、DCS分布式集中控制接口W13和上位机监控系统控制接口W14均与控制器A1电性连接，所述三相工频交流电源接口W15与断路器QF1电性连接，所述安全连接锁接口W11通过电缆500与安全连接锁信号输入接口连接，所述安全连接锁信号输入接口电性连接有外部安全连锁开关K2，其中，安全连接锁接口W11用于连接外部安全连锁开关K2，第一接地接口W12用于接地，DCS分布式集中控制接口W13用于接入DCS分布式集中控制信号，上位机监控系统控制接口W14用于接入上位机监控系统的控制信号，三相工频交流电源接口W15用于接入A、B、C三相工频交流电源，通过设置人机交互模块、DCS分布式集中控制接口、上位机监控系统控制接口，能够实现就地人机操作、上位机监控系统控制和DC分布式集中控制，并且通过设置安全连接锁接口、安全连接锁信号输入接口和外部安全连锁开关，能够通过外部安全连锁开关的开关信号自动在危险发生之前断开断路器，彻底断开高压电源。
如图2所示，升压整流高压模块200内部采用绝缘导热油导热，热量被绝缘导热油传导到升压整流高压模块200的油箱外部的散热片，油箱外部的散热片与空气交换实现自然冷却，所述升压整流高压模块200包括升压变压器TR1、电感Ls、高压整流电路ZD2、采样电路、温度传感器2PT100、油位传感器K1和第二外部接口，其中，所述采样电路包括第一电阻R21、第二电阻R22和第三电阻R23，所述高压整流电路ZD2包括二极管八D8、二极管九D9、二极管十D10和二极管十一D11，所述升压变压器TR1的输入线圈串联电感Ls后与第二模块互连接口400电性连接，所述升压变压器TR1的输出线圈的一端与二极管八D8的负极和二极管九D9的正极电性连接，所述升压变压器TR1的输出线圈的另一端与二极管十D10的负极和二极管十一D11的正极电性连接，所述二极管八D8和二极管十D10的正极均与第三电阻R23的一端和第二外部接口电性连接，所述二极管九D9和二极管十一D11的负极均与第二电阻R22的一端和第二模块互连接口400电性连接，所述第三电阻R23的另一端与第一电阻R21的一端电性连接，所述第三电阻R23的另一端还与第二模块互连接口400电性连接，所述第二电阻R22的另一端和第一电阻R21的另一端均与第二模块互连接口400和第二外部接口电性连接，所述温度传感器2PT100和油位传感器K1均与第二模块互连接口400电性连接。
所述第二模块互连接口400包括变压器初级线圈输入接口J21、高压输出电压与电流信号接口J22、变压器温度信号接口J23和油位信号接口J24，其中，所述升压变压器TR1的输入线圈串联电感Ls后与变压器初级线圈输入接口J21电性连接，所述二极管九D9的负极和第一电阻R21的两端均与高压输出电压与电流信号接口J22电性连接，所述变压器温度信号接口J23与温度传感器2PT100电性连接，所述油位信号接口J24与油位传感器K1电性连接，所述温度传感器2PT100和油位传感器K1安装于油箱内，所述变压器初级线圈输入接口J21通过电缆500与频率幅值可调制交流输出接口J11通过可拆卸的电缆500电性连接，所述高压输出电压与电流信号接口J22与高压输出电压与电流模拟量输入接口J12通过可拆卸的电缆500电性连接，所述变压器温度信号接口J23与变压器温度模拟量输入接口J13通过可拆卸的电缆500电性连接，所述油位信号接口J24与变压器油位开关量输入接口J14通过可拆卸的电缆500电性连接。
所述第二外部接口包括高压接口W21和第二接地接口W22，所述高压接口W21与二极管八D8的正极电性连接，所述第二接地接口W22与第二电阻R22远离二极管九D9的一端电性连接。
碳化硅MOSFET逆变控制模块100通过三相工频交流电源接口W15将A、B、C三相工频交流电源接入三相断路器QF1，断路器QF1主要作用一，通过自身的短路保护功能实现对电源的短路保护。断路器QF1主要作用二，嵌入式控制系统通过对电源相关外部的信号采集监测，以及并根据嵌入式控制系统软件内部的故障条件触发故障保护。当有故障时，嵌入式控制系统的QF1故障接口，控制断路器QF1的脱扣线圈，触发断路器QF1进行故障跳闸保护。断路器QF1主要作用三，K2为外部安全连锁开关，外部安全连锁开关K2通过信号电缆WR5与安全连接锁接口W11，当外部安全连锁开关K2断开时，可以在危险发生之前断开高压电源的断路器QF1，彻底断开高压电源。外部安全连锁开关K2应用说明，不限于此：外部安全连锁开关K2可以设置在升压整流高压模块200周围安全防护围栏的门上，高压运行期间，有人试图打开安全防护围栏的门时，可以在危险触电发生之前断开高压电源的断路器QF1，彻底断开高压电源。
三相交流电经断路器QF1后，进入三相整流电路ZD1，将交流转换成直流。嵌入式控制系统的QD1接口采集三相整流电路ZD1的直流电压，并控制滤波电路C1的预充电回路，对滤波电路C1预充电，限制减少初始上电时滤波电路C1零电压充电的电流，降低干扰。充电完成时，同时控制三相整流电路ZD1的晶闸管触发信号，控制三相整流电路ZD1的导通。
直流电经滤波电路C1滤波后，为碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4供电。碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4，受嵌入式控制系统的第一PWM驱动信号PWM1、第二PWM驱动信号PWM2驱动信号控制，将直流逆变为频率幅值可调制交流电，经频率幅值可调制交流输出接口J11通过动力电缆WR1连接到升压整流高压模块200中变压器初级线圈输入接口J21，从而实现通过第一PWM驱动信号PWM1、第二PWM驱动信号PWM2驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4，改变升压整流高压模块200的输出电压与电流。
升压整流高压模块200中升压变压器TR1，将频率幅值可调制交流电升压，升压后经高压整流电路ZD2整流，高压整流电路ZD2直流输出的高压一端经高压瓷瓶到高压接口W21，高压接口W21串联限流电阻R24后与负载Z1高压输入端连接，高压整流电路ZD2直流输出的另一端串联高压输出电流采样的第二电阻R22后，经第二接地接口W22接地，并与负载Z1接地点连接。高压整流电路ZD2直流输出的高压一端同时连接高压输出电压采样的第三电阻R23，第三电阻R23与第一电阻R21串联，第一电阻R21另一端与第二电阻R22连接，经第二接地接口W22接地。
升压整流高压模块200中高压输出电压与电流信号接口J22通过信号屏蔽电缆WR2连接到碳化硅MOSFET逆变控制模块100中高压输出电压与电流模拟量输入接口J12，最后进入嵌入式控制系统。
升压整流高压模块200中变压器温度信号接口J23通过信号屏蔽电缆WR3连接到碳化硅MOSFET逆变控制模块100中变压器温度模拟量输入接口J13，最后进入嵌入式控制系统。
升压整流高压模块200中油位信号接口J24通过信号电缆WR3连接到碳化硅MOSFET逆变控制模块100中变压器油位开关量输入接口J14，最后进入嵌入式控制系统。
外部安全连锁开关K2的外部安全连锁信号通过信号电缆WR5连接到碳化硅MOSFET逆变控制模块100中的安全连接锁接口W11，最后进入嵌入式控制系统。
嵌入式控制系统的PWM1、PWM2驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式，单极性SPWM调制如图3所示，双极性SPWM调制如图4所示。
实际应用中，碳化硅MOSFET器件存在两种半导体模块，一种为纯碳化硅MOSFET器件，模块中只有MOSFET管，外部没有反并联碳化硅二极管，逆变电路依靠MOSFET管本身的体二极管续流，但由于MOSFET管本身的体二极管正向电压导通压降很高，达5-6V，续流损耗较大，由于外部没有反并联碳化硅二极管，逆变电路损耗相对较大，但模块成本较低。另一种为组合碳化硅MOSFET器件，外部反并联碳化硅二极管，反并联碳化硅二极管正向电压导通压降较低，一般为1-2V，损耗较小。由于外部有反并联碳化硅二极管，逆变电路损耗小效率较高，但模块成本较高。
采用没有反并联碳化硅二极管的纯碳化硅MOSFET器件做逆变电路时，嵌入式控制系统的PWM1、PWM2驱动信号采用双极性SPWM调制。图4中，调制波AC1与双极性三角载波VSAN比较，互补输出的PWM1与PWM2驱动信号。调制波AC1正半波期间，PWM1为驱动信号主驱动逆变电路VT2、VT3，PWM2驱动信号为补主驱动逆变电路VT1、VT4，PWM2驱动信号驱动VT1、VT4提供续流，用于降低碳化硅MOSFET本身体二极管续流的正向导通损耗。调制波AC1负半波期间，PWM2为驱动信号主驱动逆变电路VT1、VT4，PWM1驱动信号为补主驱动逆变电路VT2、VT3，PWM1驱动信号驱动VT2、VT3提供续流，用于降低碳化硅MOSFET本身体二极管续流的正向导通损耗。
采用有反并联碳化硅二极管的组合碳化硅MOSFET器件做逆变电路时，嵌入式控制系统的PWM1、PWM2驱动信号采用单极性SPWM调制。图3中，调制波AC1与单极性三角载波VSAN比较，PWM1与PWM2驱动信号一路工作时，另一路驱动信号停止输出，可以有效降低逆变电路的开关损耗，同时PWM1与PWM2不需要考虑死区时间，可靠性较高。调制波AC1正半波期间，PWM1驱动信号工作驱动逆变电路VT2、VT3，PWM2驱动信号停止，电路通过反并联碳化硅二极管续流。调制波AC1负半波期间，PWM2驱动信号驱动逆变电路VT1、VT4，PWM1驱动信号停止，PWM1电路通过反并联碳化硅二极管续流。
嵌入式控制系统的PWM1、PWM2驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式，可以适用不同的碳化硅MOSFET器件，并发挥出不同的碳化硅MOSFET器件最佳性能。
嵌入式控制系统的PWM1、PWM2驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式的基础上，进一步优化支持线性交流调制与非线性交流调制，实现高压电源节能优化输出。
碳化硅MOSFET逆变电路线性交流调制控制高压电源，如图5所示：
图5中，调制波AC1与双极性三角载波VSAN比较，互补输出的PWM1与PWM2驱动信号，调制波AC1正弦信号一个单位时间周期内保持峰值与频率不变，每下一个单位时间周期缓慢改变（增加或减少）调制波AC1正弦信号的峰值，控制高压电源输出，一个单位时间周期内高压电源U2输出直流纹波系数很小，接近直流电变化，可适用于负载需要高压电源稳定输出的场合。控制调制波AC1正弦信号的峰值电压大小，可以实现高压电源在零至额定输出电压范围内任一电压值的稳定输出。图5中，峰值电压为P1的调制波AC1缓慢增加到峰值电压为P2的调制波AC2，可控制高压电源U2输出从直流平均电压29KV增加到直流平均电压79KV。
碳化硅MOSFET逆变电路非线性交流调制控制高压电源，如图6所示：
图6中，调制波AC1与双极性三角载波VSAN比较，互补输出的PWM1与PWM2驱动信号，调制波AC1正弦信号一个单位时间周期峰值电压大幅变化，控制高压电源U2输出电压值单位时间周期大幅变化，可适用于负载工况变化需要节能优化控制的场合。图6中，T1与T2组成一个调制单位时间周期，T1时间内调制波AC1正弦信号峰值电压Pa的电压值大，控制高压电源U2输出上升到直流电压峰值Up，T2时间内调制波AC1正弦信号峰值电压Pb的电压值小，控制高压电源U2输出下降到直流电压谷值Uv，T1与T2时间内调制波AC1正弦信号周期重复循环，控制高压电源U2输出电压峰值Up与电压谷值Uv周期重复循环，呈现直流叠加脉冲的效果。
碳化硅MOSFET逆变电路非线性交流调制控制高压电源的典型应用：
燃煤发电机组用于新型能源体系的电网供电调峰，深度调峰工况下，燃煤发电机组负荷在30%-100%范围调节。此时燃煤发电机组锅炉产生的烟气量在30%-100%范围变化，进入电除尘器电场的烟气流速在30%-100%范围变化。在燃煤发电机100%负荷时，假设烟气流速为1m/s，30%负荷时，烟气流速为0.3m/s。按燃煤发电机100%负荷时，粉尘达标排放，设计配置电除尘器，电除尘器为五电场，电场总长度为25米。负荷30%-100%范围变化时，烟气流速0.3m/s-1m/s变化，每毫秒的烟气移动速度为0.3mm-1mm，电场总长度为25米的烟气停留时间为83s-25s。碳化硅MOSFET逆变电路非线性交流调制T1与T2调制周期可以按负荷变化后烟气停留时间调整，在兼顾环保达标排放下实现高压电源的精准节能控制。T1时间内调制波正弦信号峰值高，PWM1、PWM2驱动信号控制高压电源输出高峰值电压，使负载产生高浓度正负离子，使放电极覆盖区域内粉尘快速荷电，粉尘荷电后，根据烟气停留时间调整T2时间，下调高压电源功率输出，T2时间内的调制波正弦信号峰值小，PWM1、PWM2驱动信号控制高压电源输出低峰值电压，保持一定的电场强度，维持荷电粉尘的驱动力，实现节能控制。
实施例2
如图7所示，本申请实施例2所涉及的一种碳化硅MOSFET逆变控制模块，包括断路器QF1、三相整流电路ZD1（三项整流电路包括二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、二极管五D5和二极管六D6）、滤波电路C1、碳化硅MOSFET逆变电路、逆变散热模块COOLING SYSTEM、具有嵌入式控制系统的控制器A1、人机交互模块HMI和第一外部接口，所述碳化硅MOSFET逆变电路包括第一碳化硅MOSFETVT1、第二碳化硅MOSFETVT2、第三碳化硅MOSFETVT3和第四碳化硅MOSFETVT4，所述二极管一D1的负极与二极管二D2的正极电性连接，所述二极管三D3的负极与二极管四D4的正极电性连接，所述二极管五D5的负极与二极管六D6的正极电性连接，所述二极管一D1、二极管三D3和二极管五D5的负极均通过断路器QF1连接至第一外部接口，所述二极管一D1、二极管三D3和二极管五D5的正极均连接至滤波电路C1、第三碳化硅MOSFETVT3的源极和第四碳化硅MOSFETVT4的源极，所述二极管二D2、二极管四D4和二极管六D6的负极均连接至监控接口QD1、滤波电路C1、第一碳化硅MOSFETVT1的漏极和第二碳化硅MOSFETVT2的漏极，所述第二碳化硅MOSFETVT2和第三碳化硅MOSFETVT3的栅极均通过导通控制电平转换器连接第一PWM驱动信号PWM1，所述第一碳化硅MOSFETVT1和第四碳化硅MOSFETVT4的栅极均通过导通控制电平转换器连接第二PWM驱动信号PWM2，所述第一碳化硅MOSFETVT1和第二碳化硅MOSFETVT2的源极均与第一模块互连接口300电性连接，所述控制器A1与监控接口QD1、第一模块互连接口300和第一外部接口电性连接，所述控制器A1电性连接有人机交互模块HMI和逆变散热模块COOLING SYSTEM，碳化硅MOSFET逆变控制模块100是独立分离模块，碳化硅MOSFET逆变控制模块100可以作为独立的产品销售，检修维保时根据需要购买，同时碳化硅MOSFET逆变控制模块100也可以做为独立产品用改造升级晶闸管控制的高压电源等设备。
需要说明的是，本实施例中碳化硅高压电源的控制方法的其他具体实施方式，可参见上述碳化硅高压电源的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。
实施例3
如图8所示，本申请实施例3所涉及的一种升压整流高压模块，升压整流高压模块200内部采用绝缘导热油导热，热量被绝缘导热油传导到升压整流高压模块200的油箱外部的散热片，油箱外部的散热片与空气交换实现自然冷却，所述升压整流高压模块200包括升压变压器TR1、电感Ls、高压整流电路ZD2、采样电路、温度传感器2PT100、油位传感器K1和第二外部接口，其中，所述采样电路包括第一电阻R21、第二电阻R22和第三电阻R23，所述高压整流电路ZD2包括二极管八D8、二极管九D9、二极管十D10和二极管十一D11，所述升压变压器TR1的输入线圈串联电感Ls后与第二模块互连接口400电性连接，所述升压变压器TR1的输出线圈的一端与二极管八D8的负极和二极管九D9的正极电性连接，所述升压变压器TR1的输出线圈的另一端与二极管十D10的负极和二极管十一D11的正极电性连接，所述二极管八D8和二极管十D10的正极均与第三电阻R23的一端和第二外部接口电性连接，所述二极管九D9和二极管十一D11的负极均与第二电阻R22的一端和第二模块互连接口400电性连接，所述第三电阻R23的另一端与第一电阻R21的一端电性连接，所述第三电阻R23的另一端还与第二模块互连接口400电性连接，所述第二电阻R22的另一端和第一电阻R21的另一端均与第二模块互连接口400和第二外部接口电性连接，所述温度传感器2PT100和油位传感器K1均与第二模块互连接口400电性连接，升压整流高压模块200是独立分离模块，升压整流高压模块200可以作为独立的产品销售，检修维保时根据需要购买。
需要说明的是，本实施例中碳化硅高压电源的控制方法的其他具体实施方式，可参见上述碳化硅高压电源的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。
实施例4
如图9所示，本申请实施例4所涉及的一种碳化硅高压电源的控制方法，用于控制如实施例1所述的碳化硅高压电源，首先需要采集三相整流电路的直流电压信号、绝缘导热油的温度和油位信息、以及外部安全连锁开关的开关信号，具体包括以下步骤：
S001、通过监控接口QD1采集三相整流电路的直流电压信号；
S002、通过变压器温度模拟量输入接口和变压器油位开关量输入接口采集油箱内的温度和油位信号，用于获取绝缘导热油的温度和油位信息；
S003、通过安全连接锁接口采集外部安全连锁开关的开关信号，例如：外部安全连锁开关K2可以设置在升压整流高压模块200周围安全防护围栏的门上，高压运行期间，有人试图打开安全防护围栏的门时，外部安全连锁开关K2断开，可以在危险触电发生之前断开高压电源的断路器QF1，彻底断开高压电源；
所述控制方法包括：
S100、控制滤波电路的预充电回路，对滤波电路进行预充电，在滤波电路预充电完成时控制三相整流电路导通，具体的，嵌入式控制系统的监控接口QD1采集三相整流电路ZD1的直流电压，并控制滤波电路C1的预充电回路，对滤波电路C1预充电，限制减少初始上电时滤波电路C1零电压充电的电流，降低干扰。充电完成时，同时控制三相整流电路ZD1的晶闸管触发信号，控制三相整流电路ZD1的导通；
S200、判断是否发生短路、故障或外部安全连锁开关断开，其中，所述故障包括信号采集监测故障和嵌入式控制系统故障，若判断结果为是，则断开断路器，例如：通过自身的短路保护功能能够监测到发生故障，当监测到发生故障后能够通过断开断路器实现彻底断开高压电源；嵌入式控制系统通过对碳化硅高压电源相关外部的信号采集监测，以及并根据嵌入式控制系统软件内部的故障条件触发故障保护。当有故障时，嵌入式控制系统断开断路器QF1进行故障跳闸保护；将外部安全连锁开关K2与危险动作的发生进行关联，例如：外部安全连锁开关K2可以设置在升压整流高压模块200周围安全防护围栏的门上，高压运行期间，有人试图打开安全防护围栏的门时外部安全连锁开关K2断开，从而可以在危险发生之前断开高压电源的断路器QF1，彻底断开高压电源；
S300、通过第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路将直流电逆变为频率和幅值可调制的交流电，其中，所述第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式；
第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号的调制包含线性交流调制方法与非线性调制交流方法，线性交流调制方法控制高压电源高压直流输出线性平稳调节变化，非线性交流调制方法控制高压电源高压直流输出按峰、谷值周期变化。
具体的，直流电经滤波电路C1滤波后，为碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4供电。碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4，受嵌入式控制系统的第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号驱动信号控制，将直流逆变为频率幅值可调制交流电，经频率幅值可调制交流输出接口J11通过动力电缆WR1连接到升压整流高压模块200中变压器初级线圈输入接口J21，从而实现通过第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路VT1-VT4，改变升压整流高压模块200的输出电压与电流。
嵌入式控制系统的第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式，可以适用不同的碳化硅MOSFET器件，并发挥出不同的碳化硅MOSFET器件最佳性能。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式；但本申请的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳化硅高压电源，其特征在于，包括碳化硅MOSFET逆变控制模块和升压整流高压模块，所述碳化硅MOSFET逆变控制模块具有第一模块互连接口，所述升压整流高压模块具有第二模块互连接口，所述第一模块互连接口通过可拆卸的电缆与第二模块互连接口电性连接。
2.根据权利要求1所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述碳化硅MOSFET逆变控制模块包括三相整流电路和控制器，所述三相整流电路的输入端通过断路器连接有第一外部接口，所述三相整流电路的输出端并联有滤波电路和碳化硅MOSFET逆变电路，所述三相整流电路还电性连接有监控接口，所述监控接口与控制器电性连接，所述控制器还电性连接有人机交互模块和逆变散热模块，所述控制器和碳化硅MOSFET逆变电路的输出端均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器也连接至第一外部接口；
所述碳化硅MOSFET逆变电路的最小工作频率应满足如下公式：
；
其中，Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；Up为碳化硅MOSFET逆变电路交流电压的输出最大电压峰值；Np为升压变压器初级线圈匝数；△Bm为升压变压器磁芯材料最高允许磁密的变化值；S为升压变压器磁芯的截面积。
3.根据权利要求2所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述第一模块互连接口包括频率幅值可调制交流输出接口、高压输出电压与电流模拟量输入接口、变压器温度模拟量输入接口和变压器油位开关量输入接口，所述频率幅值可调制交流输出接口与所述碳化硅MOSFET逆变电路电性连接，所述高压输出电压与电流模拟量输入接口、变压器温度模拟量输入接口和变压器油位开关量输入接口均与控制器电性连接。
4.根据权利要求3所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述第一外部接口包括安全连接锁接口、第一接地接口、DCS分布式集中控制接口、上位机监控系统控制接口和三相工频交流电源接口，所述安全连接锁接口、第一接地接口、DCS分布式集中控制接口和上位机监控系统控制接口均与控制器电性连接，所述三相工频交流电源接口与断路器电性连接，所述安全连接锁接口通过电缆与安全连接锁信号输入接口连接，所述安全连接锁信号输入接口电性连接有外部安全连锁开关。
5.根据权利要求4所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述升压整流高压模块包括升压变压器、温度传感器和油位传感器，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈连接有高压整流电路，所述高压整流电路通过采样电路连接有第二外部接口，所述高压整流电路还通过采样电路与第二模块互连接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接；
所述升压变压器的初级线圈串联电感LS，在碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率在最小频率Fmin时，应满足如下公式：
；
U1RMS为升压整流高压模块中升压变压器初级线圈输入最大有效值；Fmin为碳化硅MOSFET逆变电路的最小调制交流频率；LS为升压整流高压模块中升压变压器初级线圈漏感或串联电感；N为升压整流高压模块中升压变压器变比；I2RMS升压整流高压模块中高压额定电流输出有效值。
6.根据权利要求5所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述第二模块互连接口包括变压器初级线圈输入接口、高压输出电压与电流信号接口、变压器温度信号接口和油位信号接口，其中，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与变压器初级线圈输入接口电性连接，所述采样电路与高压输出电压与电流信号接口电性连接，所述变压器温度信号接口与温度传感器电性连接，所述油位信号接口与油位传感器电性连接，所述温度传感器和油位传感器安装于升压整流高压模块的散热油箱内，所述变压器初级线圈输入接口通过电缆与频率幅值可调制交流输出接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述高压输出电压与电流信号接口与高压输出电压与电流模拟量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述变压器温度信号接口与变压器温度模拟量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接，所述油位信号接口与变压器油位开关量输入接口通过可拆卸的电缆电性连接。
7.根据权利要求6所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述第二外部接口包括高压接口和第二接地接口，所述高压接口和第二接地接口分别与采样电路的两端电性连接。
8.一种碳化硅MOSFET逆变控制模块，其特征在于，包括三相整流电路和控制器，所述三相整流电路的输入端通过断路器连接有第一外部接口，所述三相整流电路的输出端并联有滤波电路和碳化硅MOSFET逆变电路，所述三相整流电路还电性连接有监控接口，所述监控接口与控制器电性连接，所述控制器还电性连接有人机交互模块和逆变散热模块，所述控制器和碳化硅MOSFET逆变电路的输出端均与第一模块互连接口电性连接，所述控制器也连接至第一外部接口。
9.一种升压整流高压模块，其特征在于，包括升压变压器、温度传感器和油位传感器，所述升压变压器的输入线圈串联电感后与第二模块互连接口电性连接，所述升压变压器的输出线圈连接有高压整流电路，所述高压整流电路通过采样电路连接有第二外部接口，所述高压整流电路还通过采样电路与第二模块互连接口电性连接，所述温度传感器和油位传感器均与第二模块互连接口电性连接。
10.一种碳化硅高压电源的控制方法，用于控制如权利要求7所述的碳化硅高压电源，其特征在于，所述控制方法包括：
控制滤波电路的预充电回路，对滤波电路进行预充电，在滤波电路预充电完成时控制三相整流电路导通；
判断是否发生短路、故障或外部安全连锁开关断开；
若判断结果为是，则断开断路器；
通过第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号控制碳化硅MOSFET逆变电路将直流电逆变为频率和幅值可调制的交流电，其中，所述第一PWM驱动信号和第二PWM驱动信号支持单极性SPWM调制与双极性SPWM调制两种模式。
CN202510534594.2A 2025-04-27 2025-04-27 一种碳化硅高压电源及其控制方法 Active CN120074264B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202510534594.2A CN120074264B (zh) 2025-04-27 2025-04-27 一种碳化硅高压电源及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202510534594.2A CN120074264B (zh) 2025-04-27 2025-04-27 一种碳化硅高压电源及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN120074264A true CN120074264A (zh) 2025-05-30
CN120074264B CN120074264B (zh) 2025-07-01

Family

ID=95806350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202510534594.2A Active CN120074264B (zh) 2025-04-27 2025-04-27 一种碳化硅高压电源及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN120074264B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010148213A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Fujitsu Ten Ltd 充電制御システム、制御装置、充電制御方法及び制御方法
CN102497113A (zh) * 2011-11-14 2012-06-13 江苏科技大学 一种静电除尘用高频高压电源及控制方法
CN203261246U (zh) * 2013-03-26 2013-10-30 湖北特雷斯科技有限公司 三相并网逆变器
CN113659689A (zh) * 2021-08-18 2021-11-16 中车青岛四方车辆研究所有限公司 充电机电路及模块
US20230398894A1 (en) * 2021-03-26 2023-12-14 Huawei Technologies Co., Ltd. Charging control apparatus and method, and electric vehicle
CN119341390A (zh) * 2024-12-20 2025-01-21 浙江大维高新技术股份有限公司 一种碳化硅逆变器及其控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010148213A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Fujitsu Ten Ltd 充電制御システム、制御装置、充電制御方法及び制御方法
CN102497113A (zh) * 2011-11-14 2012-06-13 江苏科技大学 一种静电除尘用高频高压电源及控制方法
CN203261246U (zh) * 2013-03-26 2013-10-30 湖北特雷斯科技有限公司 三相并网逆变器
US20230398894A1 (en) * 2021-03-26 2023-12-14 Huawei Technologies Co., Ltd. Charging control apparatus and method, and electric vehicle
CN113659689A (zh) * 2021-08-18 2021-11-16 中车青岛四方车辆研究所有限公司 充电机电路及模块
CN119341390A (zh) * 2024-12-20 2025-01-21 浙江大维高新技术股份有限公司 一种碳化硅逆变器及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN120074264B (zh) 2025-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wai et al. High-performance stand-alone photovoltaic generation system
CN101767061B (zh) 一种静电除尘用新型高频高压电源
CN103178742B (zh) 一种组合式双向dc/ac变流器拓扑结构
US20040165408A1 (en) Dc to ac inverter with single-switch bipolar boost circuit
CN202206170U (zh) 一种矿用隔爆型逆变脉动式程控充电机
CN105978010A (zh) 基于峰谷电价的光伏空调供电控制系统和控制方法
CN201625583U (zh) 一种静电除尘用新型高频高压电源
CN104333036B (zh) 一种多源协调控制系统
CN114243739A (zh) 一种火电厂用储能集中换流系统
CN106451733A (zh) 一种超容太阳能控制器
CN110212588A (zh) 一种多能互补分布式能源互联网教学实验系统
CN203014421U (zh) 太阳能绿色手术室供电系统
CN120074264B (zh) 一种碳化硅高压电源及其控制方法
CN202797703U (zh) 光伏箱式变电站
CN202633962U (zh) 一种基于tms320f2812的光伏并网及电能质量综合治理装置
CN102780244B (zh) 户用光伏发电系统
CN115276106B (zh) 一种城市轨道交通供电监测装置
CN216794638U (zh) 一种火电厂用储能集中换流系统
CN205178892U (zh) 一种含通讯接口的小功率风电变流器
CN110266050A (zh) 一种势能回收发电空调机组
CN211405925U (zh) 基于风光发电的小型直流微电网供电装置
CN1688077A (zh) 太阳能全自动控制逆变电源系统
CN101951148A (zh) 多直流电压等级低压逆变超导输配电方法
CN202651817U (zh) 高压输电线路的状态监测设备的风光互补式供电装置
CN207304036U (zh) 基于高耐压igbt直流配电的电动汽车充电站

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant