CN103825483B

CN103825483B - SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器

Info

Publication number: CN103825483B
Application number: CN201410073361.9A
Authority: CN
Inventors: 张波; 丘东元
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103825483A

Abstract

本发明提供了SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感，其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，然后上下桥臂串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，然后上下桥臂串联。上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端。本发明采用多电平控制策略，混合式单相高压变换器的输出电压将呈现正弦多电平电压，减少了谐波。

Description

SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器。

背景技术

SiC（碳化硅）功率开关器件的优势在于具有高压（达数万伏）、高温（大于500℃）特性，突破了硅基功率半导体器件电压（数千伏）和温度（小于150℃）的局限性。迄今为止，国际上已经研发出19.5kV的碳化硅二极管、3.1kV、4.5kV的门极可关断晶闸管、10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等，在未来的几年里，随着产业化进程不断加速，SiC功率开关器件将成为高压、大容量工业应用的主要器件。

“一代器件、一代电力电子拓扑”是电力电子技术发展的一个特征，SiC功率开关器件的发展必然催生一批新的高压变换器的出现，由于SiC功率开关器件的高压特性，可以解决现有硅功率开关器件的串联均压问题，在需要高压大容量应用的电力系统、新能源发电、武器准备、运载设备上广泛应用。然而，SiC功率开关器件的价格较高，全部采用将影响高压变换器的性价比，为此本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，它即可以降低高压变换器成本，又可以利用硅IGBT构成的电路实现多电平控制。

发明内容

本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，与现有以硅IGBT为主的模块组合多电平变换器（MMC变换器）比较，一是电路简单，减少了元器件，降低了电路成本；二是控制简单，可实现多电平电压输出，谐波小，在高压工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。

SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感。混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另1个高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联。两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。

进一步地，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和1个直流电容构成。

进一步地，所述低压模块单元包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的两端均与续流二极管连接，第一开关管的正极和直流电容的正极相连接；第一开关管的负极和第二开关管的正极连接，连接点为O₁端；第二开关管的负极与直流电容C_E的负极连接，连接点为O₂端；直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。

进一步地，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的续流二极管的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的续流二极管的导通方向。

进一步地，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。

进一步地，混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元的O₁端即U₁与电源的正极相连接，第一个低压模块单元的O₂端与第二个低压模块单元的O₁端即U₂相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元的O₁端即U_i连接到第i-1个低压模块单元的O₂端，第i个低压模块单元的O₂端连接到第i+1个低压模块单元的O₁端即U_i+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元的O₂端与第一桥臂电感连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感与第N+1个低压模块单元的O₁端即U_N+1相连接，第N+1个低压模块单元的O₂端与第N+2个低压模块单元的O₁端即U_N+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元的O₂端连接到电源的负极。

进一步地，混合式单相高压变换器另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关的正极与电源的正极相连接，负极与第三桥臂电感相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关的正极与第四桥臂电感相连接，负极与电源的负极相连接。

进一步地，通过控制单相桥臂的电平输出，可以得到混合式单相高压变换器的交流输出电压为正弦多电平。

与现有的多电平技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

第一，本发明电路的结构简单，其中一相桥臂只需要2个高压开关器件，元器件大量减少，降低了电路成本和复杂性；

第二，本发明电路的控制策略简单，只需要控制各个低压模块的输出电压，就能实现电路输出正弦多电平电压，减少输出谐波；

第三，本发明电路将低压硅IGBT器件和高压SiC功率开关器件有机地结合在一起，充分发挥了两种器件的优势，更好地满足了高压工业应用场合的实际需要。

附图说明

图1是本发明的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路图。

图2是本发明的低压模块单元结构图。

图3a～图3d分别是低压模块单元的四种工作状态示意图。

图4是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器结构图。

图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

图1所示的是本发明SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器主电路（单相是指该变换器输出的是单相交流电压）。混合式高压变换器的构成方式如下：

1、其中一相的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成。图2所示的是本发明的低压模块单元结构，低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件，即第一开关管T₁和第二开关管T₂，及1个直流电容构成。第一开关管T₁的正极和直流电容C_E的正极相连接；第一开关管T₁的负极和第二开关管T₂的正极连接，连接点为O₁端；第二开关管T₂的负极与直流电容C_E的负极连接，连接点为O₂端；直流电容C_E上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。

图1中，第一个低压模块单元M₁的O₁端即U₁与电源V的正极相连接，第一个低压模块单元M₁的O₂端与第二个低压模块单元M₂的U₂相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元M_i的O₁端即U_i连接到第i-1个低压模块单元M_i-1的O₂端，第i个低压模块单元M_i的O₂端连接到第i+1个低压模块单元M_i+1的O₁端即U_i+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元M_N的O₂端与第一桥臂电感L_ap连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感L_an与第N+1个低压模块单元M_N+1的O₁端即U_N+1相连接，第N+1个低压模块单元M_N+1的O₂端与第N+2个低压模块单元M_N+2的O₁端即U_N+2相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元M_2N的O₂端连接到电源V的负极；

2、另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关S₁的正极与电源V的正极相连接，负极与第三桥臂电感L_bp相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关S₂的正极与第四桥臂电感L_bn相连接，负极与电源V的负极相连接；3、两相上下桥臂串联，桥臂电感连接点构成对应相桥臂的交流输出端。

按照图1的低压模块单元结构，低压模块单元有4种工作状态。其中图3a是第一种工作状态，即第一开关管T₁导通，模块输出电压U_o1-U_o2=E；图3b是第二种工作状态，即第一开关管的续流二极管D₁导通，模块输出电压U_o1-U_o2=E；图3c是第三种工作状态，即第二开关管T₂导通。模块输出电压U_o1-U_o2=0；图3d是第四种工作状态，即第二开关管的续流二极管D₂导通，模块输出电压U_o1-U_o2=0。

图4是一个具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，它由4个低压半桥模块单元M₁、M₂、M₃、M₄，2个SiC功率开关器件S₁、S₂和4个桥臂电感构成，其中4个桥臂电感的电感值相同，均为L。

图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器的一种多电平输出波形，从图中可见，控制a端输出电平为0、±E、±2E，b端输出电平为±2E，可以得到输出电压V_ab为五电平。

Claims

1.SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感；混合式单相高压变换器其中一个的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；混合式单相高压变换器的另外一个上桥臂由1个所述高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另1个所述高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联；两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数；所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和1个直流电容构成。

2.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元包括第一开关管（T₁）和第二开关管（T₂），第一开关管（T₁）和第二开关管（T₂）的两端均与续流二极管连接，分别为第一续流二极管（D₁）和第二续流二极管（D₂）；第一开关管（T₁）的正极和直流电容（C_E）的正极连接；第一开关管（T₁）的负极和第二开关管（T₂）的正极连接，连接点为O₁端；第二开关管（T₂）的负极与直流电容（C_E）的负极连接，连接点为O₂端；直流电容（C_E）上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。

3.根据权利要求2所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管（T₁）的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管（T₁）的续流二极管（D₁）的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管（T₂）的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管（T₂）的续流二极管（D₂）的导通方向。

4.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。

5.根据权利要求2所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器其中一半桥的上桥臂由N个低压模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个低压模块单元（M₁）的O₁端与电源（V）的正极相连接，第一个低压模块单元（M₁）的O₂端与第二个低压模块单元（M₂）的O₁端相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元（M_i）的O₁端即U_i连接到第i-1个低压模块单元（M_i-1）的O₂端，第i个低压模块单元（M_i）的O₂端连接到第i+1个低压模块单元（M_i+1）的O₁端，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元（M_N）的O₂端与第一桥臂电感（L_ap）连接；下桥臂由桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即第二桥臂电感（L_an）与第N+1个低压模块单元（M_N+1）的O₁端相连接，第N+1个低压模块单元（M_N+1）的O₂端与第N+2个低压模块单元（M_N+2）的O₁端相连接，依此连接规律，下桥臂的N个低压模块单元连接后，第2N个低压模块单元（M_2N）的O₂端连接到电源（V）的负极。

6.根据权利要求5所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，混合式单相高压变换器另外一半桥的上桥臂由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，即第一高压功率开关（S₁）的正极与电源（V）的正极相连接，负极与第三桥臂电感（L_bp）相连接；下桥臂由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，即第二高压功率开关（S₂）的正极与第四桥臂电感（L_bn）相连接，负极与电源（V）的负极相连接。

7.根据权利要求1所述SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其特征在于，通过控制单相桥臂的电平输出，得到交流输出电压为正弦多电平。