CN105720822A - 一种基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，属于电力电子技术领域。本发明公开的双向DC/DC变换器，包括输入侧滤波电容、逆变全桥、传输电感、输入侧隔直电容、变压器、输出侧隔直电容、整流全桥和输出侧滤波电容等八部分，其中逆变全桥和整流全桥采各桥臂电子开关采用SiC器件串联的方式，以提高电压等级和传输功率，同时能高工作频率，减小整体尺寸。本发明还公开了一种基于SiC器件串联的高压大功率双向DC/DC变换器的控制***，主要包括主控单元、信号发生单元、驱动单元和采样保护单元。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，主要涉及一种基于SiC器件串联的双向隔离DC/DC变换器。
背景技术
随着港口岸电电源、电力机车牵引***、电能质量治理、新能源发电、高压柔性直流输电等领域的发展，电力电子变压器应运而生，而其核心组件双向隔离DC/DC变换器的研究在电压等级、功率等级和工作频率等方面存在诸多限制，亟需取得突破。
传统的双向DC/DC变换器的器件一般采用Si材料的IGBT，但由于结构因素影响，其开关损耗大，且随电压等级的升高，开关频率很低，造成效率低、体积大。
为解决上述问题，一般采用软开关技术，华北电力大学的发明专利201110140067.1“一种的对称半桥LLC谐振式双向直流-直流变换器”，但因为IGBT关断时拖尾电流比较大，时间长，所以其关断损耗并不能完全消除。石家庄通和电子科技股份有限公司专利201410828951.8提出一种双向隔离直流-直流变换器，变压器原副边都是全桥结构，但是每个桥臂都是单只器件，耐压等级没有提升，且在高压条件下开关频率比较低。
SiCMOSFET模块是新兴器件，与Si材料的MOSFET相比，耐压高、电流大，更适合于大功率场合；而与Si材料的IGBT模块相比，开关速度快，开关损耗低，且其反并联二极管为SiC的肖特基二极管，没有反向恢复损耗，开关频率可以更高，这样后级传输电感和高频变压器体积可以大大减小，目前已经商业化的SiCMOSFET模块额定电压可达1700V，额定电流300A，工作频率可达几十KHz甚至上百KHz。
发明内容
本发明目的是：针对现有技术的不足，提供一种基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，该目的通过一种基于器件串联的移相全桥电路实现。
具体地说，本发明所采取的技术方案是：一种基于SiC器件串联的高压大功率双向DC/DC变换器，包括输入侧滤波电容、逆变全桥、传输电感、输入侧隔直电容、变压器、输出测隔直电容、整流全桥和输出滤波电容。其中直流输入端经输入侧滤波电容与逆变全桥的输入侧相连，逆变全桥的输出侧一端经传输电感和输入侧隔直电容与变压器的原边一端相连，变压器的原边另外一端与逆变全桥的另一输出端相连。变压器的副边输出端经输出测隔直电容与整流桥的输入端相连，整流桥的输出侧与输出侧滤波电容相连。
所述输入侧滤波电容和输出侧滤波电容为薄膜电容，对输入直流电压其滤波作用。
所述逆变全桥将直流电变换为交流电，其包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关，第一电子开关与第二电子开关串联后并联于输入侧滤波电容两端，第三电子开关与第四电子开关串联后并联于输入侧滤波电容两端。第一电子开关与第二电子开关的连接中点依次串联传输电感L和输入侧隔直电容，与变压器的原边一端子相连接；第三电子开关与第四电子开关的连接中点与变压器的原边另一端子相连接。
所述传输电感起到短时储存能量和传输能量的作用。
所述输入侧隔直电容和输出侧隔直电容起到隔离直流电信号的作用。
所述高频变压器将逆变全桥输出的高频交流电变换为整流桥输入侧的高频交流电，起到变压和隔离作用。
所述整流全桥将高频变压器输出的交流电变换为直流电，其包括第五电子开关、第六电子开关、第七电子开关、第八电子开关，第五电子开关与第六电子开关串联后并联于输出侧滤波电容两端，第七电子开关与第八电子开关串联后并联于输出侧滤波电容两端。变压器副边一端子经输出测隔直电容与第七电子开关和第八电子开关的连接中点相连；变压器的副边另一端子与第五电子开关和第六电子开关的中点相连。
所述第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第六电子开关、第七电子开关、第八电子开关均为2只或多只全控器件串联组成，该全控器件为SiCMOSFET模块。相互串联的每个全控器件并联有均压电路，该均压电路对串联的全控器件起均压作用，并能抑制电路中的电压过冲，保护器件不被损坏。
所述均压电路由静态均压电路和动态均压电路组成，静态均压电路由并联于SiCMOSFET两端的电阻组成，其阻值约为所并联SiCMOSFET关断时等效电阻阻值的1/10；动态均压电路为由电阻与二极管并联后再与吸收电容串联组成的RCD缓冲电路组成，并联于静态均压电路的两端。
本发明还包括用于控制上述高压大功率双向DC/DC变换器的控制***，包括主控单元、信号发生单元、驱动单元和采样保护单元，其中：主控单元用于***监控、***控制策略实现以及控制命令下发；信号发生单元用于实现上层主控单元的控制要求，并实时的下发控制信号指令并监控下层驱动单元，同时将双向DC/DC变换器的运行状态数据汇总报告给主控单元；驱动单元用于接收信号发生单元下发的控制信号指令以及产生驱动波形实现对双向DC/DC变换器的各全控器件的驱动；采样保护单元用于对双向DC/DC变换器运行情况进行实时采样，并将采样信号通过信号发生单元上传至主控单元。
本发明还包括用于控制上述高压大功率双向DC/DC变换器的控制方法，双向DC/DC变换器中的整流全桥和逆变全桥每一桥臂串联的全控器件同时导通和关断，可等效为一只全控器件，每上下两桥臂的两组全控器件均为180度互补导通，整流全桥和逆变全桥中所有斜对角两组全控器件都同时开关，通过控制两个全桥桥臂中点电压之间的移向角，来控制功率传输的方向和大小。
需要指出的是，输入侧滤波电容和输出侧滤波电容、输入侧隔直电容和输出侧处侧隔直电容是相对的，当功率流向反向时，输出侧滤波电容变为输入侧滤波电容，输入侧滤波电容变为输出侧滤波电容，同样输入侧隔直电容变为输出侧隔直电容，输出侧隔直电容变为输入侧隔直电容。所述逆变全桥和整流全桥也是相对的，当功率方向反向时，整流全桥变为逆变全桥，逆变全桥变为整流全桥。
本发明的有益效果如下：本发明的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，采用SiC器件特别是SiCMOSFET模块作为开关器件，其开关损耗小，开关频率高，提高了整机的工作频率，并相应地使所采用的电感和变压器体积大大减小，从而减小了整机的尺寸，DC/DC变换器更加紧凑。由于采用器件的损耗降低，从而降低了整机损耗，提升了效率；采用SiC器件串联的方式可以有效提高DC/DC变换器的电压等级，同时也提高了DC-DC变换器的传输功率；本发明的控制***将主控单元、信号发生单元、驱动单元和采样保护单元分开设计，层次分明，结构清晰，将信号发生单元产生的信号分配至驱动单元，再通过各驱动单元对器件发送驱动信号，有利于实现对串联SiC器件的无差异控制，保证DC/DC变换器的可靠性和安全性。
附图说明
图1为基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器***框图。
图2为基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器主电路拓扑图。
图3为每个桥臂的电子开关由全控器件串联组成示意图。
图4为SiC器件串联均压电路。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
实施例1的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器***组成如图1所示，包括主电路和控制***两部分。
基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器主电路拓扑如图2所示，包括输入侧滤波电容C1，逆变全桥、传输电感L、输入侧隔直电容C3，高频变压器T、输出侧隔直电容C4，整流全桥、输出侧滤波电容C2等八部分。其中U1为输入直流电压；输入侧滤波电容C1直接接于U1的正负母线之间，起到滤波和稳压及消除电压尖峰的作用；直流电经逆变全桥变换为交流电后再经传输电感L和输入侧隔直电容C3后接于变压器T的原边；变压器的副边输出经输出侧隔直电容C4接于整流桥的输入侧，交流电经整流桥后变换为直流电，该直流电再经过输出侧滤波电容后输出即为U2。
所述输入侧滤波电容C1和输出侧滤波电容C2为薄膜电容，对输入直流电压其滤波作用。
所述逆变全桥将直流电变换为交流电，其包括第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3、第四电子开关S4，第一电子开关S1与第二电子开关S2串联后并联于输入侧滤波电容C1两端，第三电子开关S3与第四电子开关S4串联后并联于输入侧滤波电容C1两端。第一电子开关S1与第二电子开关S2的连接中点依次串联传输电感L和输入侧隔直电容C3，与变压器T的原边1端子相连接；第三电子开关S3与第四电子开关S4的连接中点与变压器T的原边2端子相连接。
所述传输电感L起到短时储存能量和传输能量的作用。
所述输入侧隔直电容C3和输出侧隔直电容C4起到隔离直流电信号的作用。
所述高频变压器T将逆变全桥输出的高频交流电变换为整流桥输入侧的高频交流电，起到变压和隔离作用。
所述高频变压器T将逆变全桥输出的高频交流电变换为整流桥输入侧的高频交流电，起到变压和隔离作用。其原边和副边各有两个端子，其中1与3为同名端，2与4为同名端。
所述整流全桥将高频变压器输出的交流电变换为直流电，其包括第五电子开关S5、第六电子开关S6、第七电子开关S7、第八电子开关S8，第五电子开关S5与第六电子开关S6串联后并联于输出侧滤波电容C2两端，第七电子开关S7与第八电子开关S8串联后并联于输出侧滤波电容C2两端。变压器副边3端子经输出侧隔直电容C4与第七电子开关S7和第八电子开关S8的连接中点相连；变压器T的副边4端子与第五电子开关S5和第六电子开关S6的中点相连。
所述第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3、第四电子开关S4、第五电子开关S5、第六电子开关S6、第七电子开关S7、第八电子开关S8均为2只或多只全控器件串联组成，如图3所示，该全控器件为SiCMOSFET模块。相互串联的每个全控器件并联有均压电路，该均压电路对串联的全控器件起均压作用，并能抑制电路中的电压过冲，保护器件不被损坏。
所述均压电路如图4所示，由静态均压电路和动态均压电路组成，静态均压电路为并联于全控器件两端的电阻Rs组成，Rs阻值约为所并联全控器件关断时等效电阻阻值的1/10；动态均压电路为由电阻R与二极管并联后再与吸收电容C串联组成的RCD缓冲电路组成，并联于静态均压电路的两端。
与本实施例配套的控制***，包括主控单元、信号发生单元、驱动单元和采样保护单元，其中：主控单元用于***监控、***控制策略实现以及控制命令下发；信号发生单元用于实现上层主控单元的控制要求，并实时的下发控制信号指令并监控下层驱动单元，同时将双向DC/DC变换器的运行状态数据汇总报告给主控单元；驱动单元用于接收信号发生单元下发的控制信号指令，并产生驱动波形实现对双向DC/DC变换器的各全控器件的驱动；采样保护单元用于对双向DC/DC变换器运行情况进行实时采样，并将采样信号通过信号发生单元上传至主控单元。
高压大功率双向DC/DC变换器的控制方法为：整流全桥和逆变全桥每一桥臂串联的SiCMOSFET同时导通和关断，可等效为一只SiCMOSFET器件，每上下两桥臂的两组全控器件均为180度互补导通，整流全桥和逆变全桥中所有斜对角两组全控器件都同时开关，通过控制两个全桥桥臂中点电压之间的移向角，来控制功率传输的方向和大小。
需要指出的是，输入侧滤波电容和输出侧滤波电容、输入侧隔直电容和输出侧处侧隔直电容是相对的，当功率流向反向时，输出侧滤波电容变为输入侧滤波电容，输入侧滤波电容变为输出侧滤波电容，同样输入侧隔直电容变为输出侧隔直电容，输出侧隔直电容变为输入侧隔直电容。所述逆变全桥和整流全桥也是相对的，当功率方向反向时，整流全桥变为逆变全桥，逆变全桥变为整流全桥。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (5)
1.一种基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，包括输入侧滤波电容、逆变全桥、传输电感、输入侧隔直电容、变压器、输出测隔直电容、整流全桥和输出滤波电容，其中直流输入端经输入侧滤波电容与逆变全桥的输入侧相连，逆变全桥的输出侧一端经传输电感和输入侧隔直电容与变压器的原边一端相连，变压器的原边另外一端与逆变全桥的另一输出端相连，变压器的副边输出端经输出测隔直电容与整流桥的输入端相连，整流桥的输出侧与输出侧滤波电容相连，其特征在于：
所述逆变全桥将直流电变换为交流电，包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关，第一电子开关与第二电子开关串联后并联于输入侧滤波电容两端，第三电子开关与第四电子开关串联后并联于输入侧滤波电容两端，第一电子开关与第二电子开关的连接中点依次串联传输电感和输入侧隔直电容，与变压器的原边一端子相连接；第三电子开关与第四电子开关的连接中点与变压器的原边另一端子相连接；
所述整流全桥将高频变压器输出的交流电变换为直流电，包括第五电子开关、第六电子开关、第七电子开关和第八电子开关，第五电子开关与第六电子开关串联后并联于输出侧滤波电容两端，第七电子开关与第八电子开关串联后并联于输出侧滤波电容两端，变压器副边一端子经输出测隔直电容与第七电子开关和第八电子开关的连接中点相连；变压器的副边另一端子与第五电子开关和第六电子开关的中点相连；
所述第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第六电子开关、第七电子开关和第八电子开关均为2只或多只全控器件串联组成，所述全控器件为SiCMOSFET模块，相互串联的每个全控器件均并联有均压电路。
2.根据权利要求1所述的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，其特征在于：所述输入侧滤波电容和输出侧滤波电容为薄膜电容。
3.根据权利要求1或2所述的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述均压电路由静态均压电路和动态均压电路组成，静态均压电路由并联于SiCMOSFET两端的电阻组成，动态均压电路为由电阻与二极管并联后再与吸收电容串联组成的RCD缓冲电路组成，并联于静态均压电路的两端。
4.一种用于控制如权利要求1~3任一所述的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器的控制***，其特征在于，包括主控单元、信号发生单元、驱动单元和采样保护单元，其中：
主控单元用于***监控、***控制策略实现以及控制命令下发；
信号发生单元用于实现上层主控单元的控制要求，并实时的下发控制信号指令并监控下层驱动单元，同时将双向DC/DC变换器的运行状态数据汇总报告给主控单元；
驱动单元用于接收信号发生单元下发的控制信号指令以及产生驱动波形实现对双向DC/DC变换器的各全控器件的驱动；
采样保护单元用于对双向DC/DC变换器运行情况进行实时采样，并将采样信号通过信号发生单元上传至主控单元。
5.一种用于控制如权利要求1~3任一所述的基于SiC器件串联的双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，令双向DC/DC变换器中的整流全桥和逆变全桥每一桥臂串联的全控器件同时导通和关断，等效为一只全控器件；每上下两桥臂的两组全控器件均为180度互补导通，整流全桥和逆变全桥中所有斜对角两组全控器件都同时开关，通过控制两个全桥桥臂中点电压之间的移向角，来控制功率传输的方向和大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20170511 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: Nanjing Nari Co., Ltd. Applicant after: STATE GRID JIANGSU ELECTRIC POWER COMPANY Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: Nanjing Nari Co., Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20160629 |