CN104660079A - 一种基于碳化硅mosfet的三电平双谐振变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器包括开关单元、谐振单元和负载单元；谐振单元包括并联的第一谐振电路和第二谐振电路；负载单元包括依次并联的全桥电路、滤波电容Co和负载电阻RLd；全桥电路接入变压器的副边绕组。与现有技术相比，本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器，能够降低碳化硅MOSFET的电流电压应力和开关损耗，提高了变流器的整体效率。

Description

一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器
技术领域
本发明涉及一种谐振变流器，具体涉及一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器。
背景技术
随着碳化硅(Silicon Carbide，SiC)MOSFET的出现，宽禁带半导体功率器件特性得到改善，逐步开始商业化。目前性能较好的商业化单体SiC MOSFET的击穿电压为1200V，其导通电阻小且关断速度快，通态损耗和关断损耗低，但是其开通速度没有得到改善，开关损耗相对较大。为提高SiC MOSFET的开关频率，具有软开关特性的变流器拓扑将被使用。
由于目前SiC MOSFET的电压等级较低，直接在高压应用领域(如三相电力***、燃料电池***、新能源发电***以及舰船电力***)使用比较困难。而三电平变流器的半导体功率器件承受的电压应力是变流器承受电压的一半，因此低耐压SiC MOSFET应用于高电压的场合适合采用三电平拓扑。
脉宽调制的三电平变流器能实现半导体功率器件ZVS软开关，但是其不能在全负载范围实现软开关。当输入电压变化范围宽时，变流器的效率变化明显；二级管关断时由于反向恢复特性影响，反向恢复损耗大，关断电压尖峰高。
针对上述问题，本发明提出一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器。这种变流器能够广泛应用于宽输入电压范围的场合，半导体功率器件电压应力低，全控器件能实现ZVS开通，二极管能实现ZCS关断，并且谐振元件的电流应力低。
本发明在输入电压1000-1200V的宽输入电压场合得到应用，输出功率为4000W，开关频率为300kHz，采用定频移相的控制方法。具体工作过程见第七部分。。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器，所述变流器包括开关单元、谐振单元和负载单元；
所述谐振单元包括并联的第一谐振电路和第二谐振电路；所述第一谐振电路由谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器励磁电感Lm1串联组成，所述第二谐振电路由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2和变压器励磁电感Lm2串联组成；
所述负载单元包括依次并联的全桥电路、滤波电容Co和负载电阻RLd；所述全桥电路接入变压器的副边绕组。
优选的，所述开关单元包括全控电路；所述全控电路的一端通过全控型器件Q1接入电源正极，另一端通过全控型器件Q6接入电源负极；
所述全控电路包括并联的第一支路和第二支路；所述第一支路由全控型器件Q2和全控型器件Q4串联组成，所述第二支路由全控型器件Q3和全控型器件Q5串联组成；
所述全控型器件Q1的另一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，所述全控型器件Q6的另一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间；
优选的，所述开关单元还包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，另一端接入变压器的原边绕组中性点；
所述第二二极管的一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间，另一端也接入变压器的原边绕组中性点；
优选的，谐振单元中谐振电容Cr1的另一端连接于开关单元中全控型器件Q2和全控型器件Q4之间，谐振电容Cr2的另一端连接于开关单元中全控型器件Q3和全控型器件Q5之间；
优选的，当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3导通，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6关断时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3关断，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q4和全控型器件Q5关断，以及全控型器件Q2、全控型器件Q3和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压V1＝0，第二谐振电路两端的电压V2＝0，负载单元的输出电压Vo＝0；
其中，所述变压器的变比为n:n:1，Vin为电源电压；
优选的，所述开关单元中的全控型器件为SIC MOSFET；所述全控型器件的两端依次并联有二极管和电容；
优选的，所述负载单元中全桥电路的每个桥臂均包括一个二极管。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，第一谐振电路和第二谐振电路并联运行，能够降低谐振元件的电流应力，方便元件选型；
2、本发明技术方案中，第一谐振电路和第二谐振电路并联运行，能够降低碳化硅MOSFET的电流应力和开关损耗，提高了变流器的整体效率；
3、本发明技术方案中，可以采用变频控制与移相控制相结合，实现输入电压范围宽，变化频率范围窄；
4、本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器，能够适应于1000～1200的宽输入电压范围应用场合，输出功率为4000W，开关频率为180kHz-300kHz。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1：本发明实施例中一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器的结构图；
图2：本发明实施例中一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器等效电路图；
图3：本发明实施例中一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器波形示意图；
图4：本发明实施例中变流器的工作模态1示意图；
图5：本发明实施例中变流器的工作模态2示意图；
图6：本发明实施例中变流器的工作模态3示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器，将三电平变流器和碳化硅MOSFET器件的应用结合起来，充分发挥碳化硅MOSFET器件在高频高压应用场合的优势。在1000～1200的宽输入电压范围应用场合，实现碳化硅MOSFET的软开关，提高变流器的效率。
一、本实施例中基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器包括开关单元、谐振单元和负载单元。
1、开关单元
包括全控电路、第一二极管和第二二极管，如图1所示：
(1)全控电路包括第一支路和第二支路，全控电路的一端通过全控型器件Q1接入电源正极，另一端通过全控型器件Q6接入电源负极。全控型器件Q1的另一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，全控型器件Q6的另一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间。
第一支路由全控型器件Q2和全控型器件Q4串联组成，第二支路由全控型器件Q3和全控型器件Q5组成。
(2)第一二极管的一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，另一端接入变压器的原边绕组中性点；如图1所示，第一二极管为二极管D7。
第二二极管的一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间，另一端也接入变压器的原边绕组中性点；如图1所示，第二二极管为二极管D8。
(3)本实施例中全控型器件采用SIC MOSFET，每个SIC MOSFET两端均依次并联有二极管和电容。如图1所示：
全控型器件Q1两端依次并联有二极管D1和电容C1；
全控型器件Q2两端依次并联有二极管D2和电容C2；
全控型器件Q3两端依次并联有二极管D3和电容C3；
全控型器件Q4两端依次并联有二极管D4和电容C4；
全控型器件Q5两端依次并联有二极管D5和电容C5；
全控型器件Q6两端依次并联有二极管D6和电容C6。
2、谐振单元
包括并联的第一谐振电路和第二谐振电路，如图1所示：
第一谐振电路由谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器励磁电感Lm1串联组成，第二谐振电路由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2和变压器励磁电感Lm2串联组成。其中变压器励磁电感Lm1和变压器励磁电感Lm2均为变压器的原边绕组产生的励磁电感，该变压器包括两相原边绕组。
谐振单元中谐振电容Cr1的另一端连接于开关单元中全控型器件Q2和全控型器件Q4之间，谐振电容Cr2的另一端连接于开关单元中全控型器件Q3和全控型器件Q5之间。
3、负载单元
包括依次并联的全桥电路、滤波电容Co和负载电阻RLd；全桥电路接入变压器的副边绕组。
负载单元中全桥电路的每个桥臂均包括一个二极管，如图1所示，全桥电路包括二极管DR1、二极管DR2、二极管DR3和二极管DR4.
二、依据如2所示本实施例中基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器的等效电路，其输出控制方式包括：
1、正电平输出
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3导通，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6关断时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压变压器的变比为n:n:1，Vin为电源电压。
2、负电平输出
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3关断，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压
3、零电平输出
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q4和全控型器件Q5关断，以及全控型器件Q2、全控型器件Q3和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压V1＝0，第二谐振电路两端的电压V2＝0，负载单元的输出电压Vo＝0。
三、本实施例中基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器稳定工作时，谐振电流、谐振电压和负载电流的波形变换过程为：
1、如图3所示，设定：
①：全控型器件Q1、全控型器件Q2、全控型器件Q3、全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6的导通占空比相同；②：全控型器件Q2和全控型器件Q3同时导通，且导通时刻比全控型器件Q1滞后时间t1-t0；③：全控型器件Q5和全控型器件Q6同时导通，且导通时刻比全控型器件Q4滞后时间t4-t3。
2、工作模态变换过程为：
①：工作模态1(t0～t1)
如图3所示，全控型器件Q1、全控型器件Q4和全控型器件Q5导通，全控型器件Q2、全控型器件Q3和全控型器件Q6关断。
第一谐振电路两端的电压V1＝0，第二谐振电路两端的电压V2＝0，即VAC＝VAB＝0。
谐振电流等于励磁电流，即变压器的副边绕组处于开路状态，第一谐振电路中谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器励磁电感Lm1谐振，第二谐振电路中谐振电感Lr2、谐振电容Cr2和变压器励磁电感Lm2谐振，但是由于变压器励磁电感Lm1和变压器励磁电感Lm2较大，虽然发生谐振，谐振电流变化较小。其中，在该工作模态下电流的流动示意图如图4所示。
②：工作模态2(t1～t2)
如图3所示，全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3导通，全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6关断。
第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压即 V AC = V AB = 1 2 V in .
第一谐振电路中谐振电感Lr1和谐振电容谐振，第二谐振电路中谐振电感Lr2和谐振电容Cr2谐振，谐振电流谐振电流励磁电流和励磁电流均变化较大。t2时刻谐振电流等于励磁电流，即其中，在该工作模态下电流的流动示意图如图5所示。
③：工作模态3(t2～t3)
如图3所示，全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3导通，全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6关断。
第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压即 V AC = V AB = 1 2 V in .
谐振电流等于励磁电流，即变压器的副边绕组处于开路状态，第一谐振电路中谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器励磁电感Lm1谐振，第二谐振电路中谐振电感Lr2、谐振电容Cr2和变压器励磁电感Lm2谐振，但是由于变压器励磁电感Lm1和变压器励磁电感Lm2较大，虽然发生谐振，谐振电流变化较小，此时整流桥输出电流。其中，在该工作模态下电流的流动示意图如图6所示。
④：工作模态4(t3～t4)
该工作模态的分析过程与工作模态1的分析方法相同。
⑤：工作模态5(t4～t5)
该工作模态的分析过程与工作模态2的分析方法相同。
⑤：工作模态6(t5～t6)
该工作模态的分析过程与工作模态3的分析方法相同。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于碳化硅MOSFET的三电平双谐振变流器，其特征在于，所述变流器包括开关单元、谐振单元和负载单元；
所述谐振单元包括并联的第一谐振电路和第二谐振电路；所述第一谐振电路由谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器励磁电感Lm1串联组成，所述第二谐振电路由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2和变压器励磁电感Lm2串联组成；
所述负载单元包括依次并联的全桥电路、滤波电容Co和负载电阻RLd；所述全桥电路接入变压器的副边绕组。
2.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关单元包括全控电路；所述全控电路的一端通过全控型器件Q1接入电源正极，另一端通过全控型器件Q6接入电源负极；
所述全控电路包括并联的第一支路和第二支路；所述第一支路由全控型器件Q2和全控型器件Q4串联组成，所述第二支路由全控型器件Q3和全控型器件Q5串联组成；
所述全控型器件Q1的另一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，所述全控型器件Q6的另一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间。
3.如权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述开关单元还包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的一端连接于全控型器件Q2和全控型器件Q3之间，另一端接入变压器的原边绕组中性点；
所述第二二极管的一端连接于全控型器件Q4和全控型器件Q5之间，另一端也接入变压器的原边绕组中性点。
4.如权利要求1或2所述的变流器，其特征在于，谐振单元中谐振电容Cr1的另一端连接于开关单元中全控型器件Q2和全控型器件Q4之间，谐振电容Cr2的另一端连接于开关单元中全控型器件Q3和全控型器件Q5之间。
5.如权利要求1或2所述的变流器，其特征在于，当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3导通，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6关断时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压 V o = n 2 V in ;
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q2和全控型器件Q3关断，以及全控型器件Q4、全控型器件Q5和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压第二谐振电路两端的电压负载单元的输出电压
当开关单元中的全控型器件Q1、全控型器件Q4和全控型器件Q5关断，以及全控型器件Q2、全控型器件Q3和全控型器件Q6导通时，第一谐振电路两端的电压V1＝0，第二谐振电路两端的电压V2＝0，负载单元的输出电压Vo＝0；
其中，所述变压器的变比为n:n:1，Vin为电源电压。
6.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关单元中的全控型器件为SICMOSFET；所述全控型器件的两端依次并联有二极管和电容。
7.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述负载单元中全桥电路的每个桥臂均包括一个二极管。
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