CN103825487A - SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其包括2N个硅IGBT低压模块单元、6个SiC高压开关和8个桥臂电感。混合式三相四线高压变换器a、b、c三相的结构相同，上桥臂由1个高压开关与桥臂电感串联构成，下桥臂由桥臂电感与1个高压开关串联构成，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；o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，上下桥臂电感的连接点构成中线端。交流输出端接至三相星形联接方式的负载，中线端接至负载中点，通过控制中线端的输出，负载电压将呈现正弦多电平，减少了谐波。

Description

SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器
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高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器拓扑的构造。
 
背景技术
实现高压大功率变换器的关键技术之一是大功率变换器拓扑，近几十年来国际上对高压大容量变换器进行了深入的研究，提出了众多有意义的髙压大容量拓扑。模块组合多电平变换器既MMC变换器是目前高压电能变换首选的变换器，其优点是各相桥臂根据电压等级，由多个相同的模块化功率单元和两个桥臂电感依次串联构成，实现了高度模块化，在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面比一般多电平技术具有更明显的优势。然而，MMC变换器需要用到的模块单元比较多，控制比较复杂。
近年来研制成功的SiC功率开关器件因具有高压（达数万伏）、高温（大于500℃）等特性，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，将成为高压、大容量工业应用的主要器件。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高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，它既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高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，与现有以硅IGBT为主的MMC变换器比较，一是电路结构简单，减少了元器件，降低了电路的复杂性；二是控制简单，只需要控制中线相就能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高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其包括2N个硅IGBT低压模块单元、6个SiC高压功率开关器件和8个桥臂电感。其中a、b、c三相的上桥臂均由1个高压功率开关器件与桥臂电感串联构成，下桥臂均由桥臂电感与1个高压功率开关器件串联构成，然后上下桥臂串联；o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；上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端及中线，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，即第一开关管和第二开关管，和1个直流电容构成。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CE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，混合式三相四线高压变换器拓扑结构，a、b、c三相结构相同，每相的上桥臂由一个高压功率开关器件与一个桥臂电感串联构成，即高压功率开关的正极与电源的正极相连接，负极与桥臂电感相连接；每相的下桥臂由另一个桥臂电感与另一个高压功率开关器件串联构成，即高压功率开关的正极与另一个桥臂电感相连接，负极与电源的负极相连接；然后上下桥臂串联，上下桥臂电感的连接点，即a、b、c点构成对应相桥臂的交流输出端，接至三相星形联接方式的负载。
进一步地，混合式三相四线高压变换器拓扑结构，o相的上桥臂由N个低压模块单元与一个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Ui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Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元的O2端与一个桥臂电感连接；o相的下桥臂由另一个桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即桥臂电感与第N+1个低压模块单元的O1端即UN+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UN+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。然后上下桥臂串联，上下桥臂电感的连接点即o点构成中线端，中线端接至负载中点。
进一步地，通过控制o相桥臂的电平输出，得到混合式三相四线高压变换器的交流输出电压为正弦多电平。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明在MMC变换器基础上，提出一种SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其中a、b、c三相采用SiC高压功率开关器件，减少高压变换器的器件数量，o相则采用由硅IGBT构成的低压模块电路，以实现多电平控制。与现有以硅IGBT为主的MMC变换器比较，一是电路结构简单，减少了元器件，降低了电路的复杂性；二是控制简单，只需要控制中线相就能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。
 
附图说明
图1是本发明的SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线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高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器结构图。
图5是具有2N=4个低压模块单元的SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器的3电平输出波形。
图6是具有2N=4个低压模块单元的SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器的4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所示的是本发明的主电路，混合式三相四线高压变换器的构成方式如下：
1、a、b、c三相结构相同，每相的上桥臂由一个高压功率开关器件与一个桥臂电感串联构成，既高压功率开关的正极与电源V的正极相连接，负极与桥臂电感相连接；每相的下桥臂由另一个桥臂电感与另一个高压功率开关器件串联构成，既高压功率开关的正极与桥臂电感相连接，负极与电源V的负极相连接；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CE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CE的负极连接，连接点为O2端；直流电容CE上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
2、o相的上桥臂由N个低压模块单元与一个桥臂电感依次串联构成，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O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元Mi的O1端即Ui连接到第i-1个低压模块单元Mi-1的O2端，第i个低压模块单元Mi的O2端连接到第i+1个低压模块单元Mi+1的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元MN的O2端与一个桥臂电感连接；下桥臂由另一个桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即桥臂电感与第N+1个低压模块单元MN+1的O1端即UN+1相连接，第N+1个低压模块单元MN+1的O2端与第N+2个低压模块单元MN+2的O1端即UN+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M2N的O2端连接到电源V的负极。
3、将a、b、c、o四相的上下桥臂在桥臂电感的连接点，既a、b、c、o点处联接，a、b、c三点与三相星形负载联接，o点与负载中点联接。
按照图1的低压模块单元结构，低压模块单元共有4种工作状态。其中图3a是第一种工作状态，既第一开关管T1导通，模块输出电压Uo1-Uo2=E；图3b是第二种工作状态，既第一开关管的续流二极管D1导通，模块输出电压Uo1-Uo2=E；图3c是第三种工作状态，既第二开关管T2导通。模块输出电压Uo1-Uo2=0；图3d是第四种工作状态，既第二开关管的续流二极管D2导通，模块输出电压Uo1-Uo2=0。
图4是一个具有2N=4个低压模块单元的SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，包括4个硅IGBT低压模块单元M1~M4，6个SiC高压功率开关器件S1~S6和8个电感值相同的桥臂电感L。采用多电平调制策略调节中线相电压Vo，可实现三相负载电压Vao、Vbo、Vco多电平输出，其中三电平和四电平的输出波形分别见图5和图6。

Claims (8)

1.SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于包括2N个硅IGBT低压模块单元、6个SiC高压开关和8个桥臂电感；混合式三相四线桥臂高压变换器中a、b、c三相的上桥臂均由1个高压开关与桥臂电感串联构成，下桥臂均由桥臂电感与1个高压开关串联构成，然后上下桥臂串联；混合式三相四线桥臂高压变换器中o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；上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端及中线，N为正整数。
2.根据权利要求1所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT和1个直流电容构成。
3.根据权利要求2所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，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（CE）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（CE）的负极连接，连接点为O2端；直流电容（CE）上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
4.根据权利要求3所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，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。
5.根据权利要求1所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于，所述的高压开关采用带续流二极管的SiC功率开关器件。
6.根据权利要求1所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于，混合式三相四线高压变换器的拓扑结构中，a、b、c三相结构相同，每相的上桥臂由一个高压功率开关器件与一个桥臂电感串联构成，即高压功率开关的正极与电源（V）的正极相连接，负极与桥臂电感相连接；每相的下桥臂由另一个桥臂电感与另一个高压功率开关器件串联构成，即高压功率开关的正极与桥臂电感相连接，负极与电源（V）的负极相连接。
7.根据权利要求3所述SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于，混合式三相四线高压变换器拓扑结构中，o相的上桥臂由N个低压模块单元与一个桥臂电感依次串联构成，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O1端即U2相连接，依此连接规律，第i个低压模块单元（Mi）的O1端即Ui连接到第i-1个低压模块单元（Mi-1）的O2端，第i个低压模块单元（Mi）的O2端连接到第i+1个低压模块单元（Mi+1）的O1端即Ui+1，N个低压模块单元连接后，第N个低压模块单元（MN）的O2端与一个桥臂电感连接；下桥臂由另一个桥臂电感与N个低压模块单元依次串联构成，即桥臂电感与第N+1个低压模块单元（MN+1）的O1端即UN+1相连接，第N+1个低压模块单元（MN+1）的O2端与第N+2个低压模块单元（MN+2）的O1端即UN+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（M2N）的O2端连接到电源（V）的负极。
8.根据权利要求1所述的SiC高压开关与硅IGBT混合式三相四线高压变换器，其特征在于，通过控制o相桥臂的电平输出，得到交流输出电压为正弦多电平。
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